導(dǎo)讀：本文提出了一種新穎的兩步路線成功應(yīng)用于亞共晶Al-Si合金。首先在超高等靜壓下通過固溶處理制備的Al-Si單相合金，然后進(jìn)行高壓扭轉(zhuǎn)，首次獲得塊體納米結(jié)構(gòu)的亞共晶Al-Si合金。超細(xì)的Al晶粒，Si納米顆粒，固溶的Si溶質(zhì)和位錯極大地提高了屈服強(qiáng)度。同時，通過將Si細(xì)化到納米級，避免了常見的Al-Si合金中微米級Si相的脆性斷裂和延展性顯著增強(qiáng)。因此，納米結(jié)構(gòu)的Al-Si合金表現(xiàn)出403MPa的高屈服強(qiáng)度和32％的大的總伸長率。這項工作為實現(xiàn)具有低可溶性成分的整體納米結(jié)構(gòu)合金提供了一種有前途的方法。

許多低溶性合金元素對于改變金屬材料的某些重要性能至關(guān)重要，例如可鑄性，抗蠕變性或熱穩(wěn)定性。不幸的是，這些元素的加入通常會導(dǎo)致溶質(zhì)/沉淀硬化不足，因為溶解度有限，或者由于應(yīng)力集中在難以溶解在基體中的粗的二次相上，導(dǎo)致塑性較差。在解決這些問題時，微結(jié)構(gòu)細(xì)化已被視為改善機(jī)械性能的有效解決方案。一方面，將組織細(xì)化至亞微米或納米水平可以顯著提高強(qiáng)度。另一方面，當(dāng)將粗相細(xì)化為均勻分布的納米粒子時，可以大大降低脆性第二相上的應(yīng)力集中，因此延展性可能得到改善。然而，組織細(xì)化以及這些材料的機(jī)械性能的改善可以非常具有挑戰(zhàn)性的。

在超高壓技術(shù)（≥1GPa）的發(fā)展已經(jīng)表明，等靜壓力可以作為一個熱力學(xué)參數(shù)起作用來改變相圖。具體而言，在9 GPa時，Si在Al基體中的溶解度可有效提高至18 at％ 。這提供了獲得高Si濃度的Al-Si固溶體的途徑，并增加了將高壓固溶處理（HPST）與SPD結(jié)合使用以處理塊狀納米結(jié)構(gòu)材料的可能性與低可溶性元素。

在這項工作中，北京航空航天大學(xué)科研人員通過HPST和高壓扭轉(zhuǎn)（HPT，主要的SPD方法之一）成功地實現(xiàn)了由Si納米顆粒增強(qiáng)的UFG鋁合金。注意HPST中的壓力是熱力學(xué)參數(shù)，而HPT中的塑性變形則是應(yīng)變。HPST + HPT兩步路線實現(xiàn)了Al和Si相的同時細(xì)化，大大提高了強(qiáng)度和延展性。相關(guān)研究成果以題“Bulk nanostructured Al-Si alloy with remarkable improvement in strength and ductility”發(fā)表在國際著名期刊 Scripta Materialia。

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359646221002505

通過使用高純度的Al和Si（≥99.99wt％）進(jìn)行鑄造來制備Al-7 wt％Si合金。將鋁硅錠加工成圓柱狀試樣（Φ10×12毫米），然后在6 GPa下于700°C（Al-Si合金的熔化溫度隨壓力升高而升高）進(jìn)行1小時的HPST處理，然后使用CS-IB型立方砧高壓設(shè)備進(jìn)行水冷。隨后，將標(biāo)本切成薄片（Φ10×0.8毫米），并在室溫下經(jīng)過5圈旋轉(zhuǎn)以承受6 GPa以下的HPT。HPST + HPT處理歷史記錄在圖1（a）中進(jìn)行了示意性說明。此外，還提供了一步處理的標(biāo)本（HPST或HPT）以進(jìn)行比較。

與鑄態(tài)，HPT和HPST試樣的硬度相比，圖1（b）中顯示了相對于HPST + HPT試樣離圓盤中心距離的顯微硬度。HPT和HPST + HPT標(biāo)本的硬度值趨于穩(wěn)定水平，表明已達(dá)到飽和狀態(tài)。HPT或HPST將鑄態(tài)試樣的硬度從60 HV顯著提高到100 HV。在HPST + HPT之后，硬度甚至增加到160 HV。

圖1.（a）塊狀納米結(jié)構(gòu)Al-Si合金的加工歷史示意圖。AP表示大氣壓，WQ表示水淬。（b）通過不同途徑處理的樣品的維氏硬度。（c）在不同加工條件下樣品的XRD曲線。（d）用箭頭表示的（c）中不同樣品的Si {111}峰的放大圖。

圖2. 樣品在不同條件下的微觀結(jié)構(gòu)。（ab）鑄態(tài)試樣的光學(xué)顯微照片。（cd）HPT處理過的樣品的光學(xué)顯微照片。（e）鑄態(tài)和HPT處理的樣品中Si的長度和（f）寬度分布。（g）經(jīng)HPST處理的樣品的光學(xué)顯微照片和（h）TEM亮場圖像。在（h）中插入了相應(yīng)的SAED模式。

圖3. HPST + HPT處理的樣品的微觀結(jié)構(gòu)。（a）TEM亮場圖像和（b）使用低放大倍率的Si {111}反射的相應(yīng)暗場圖像。該衍射圖案被插入的（a）。（c）使用Si {111}反射獲得的與（c）中的正方形區(qū)域相對應(yīng)的Al晶粒的放大的明場圖像和（d）暗場圖像。（e）Al晶粒和（f）Si顆粒的尺寸分布。（g）沿[001] Al區(qū)域軸截取的Al晶粒的SAED圖案。（h）對于其中Si的取向與Al相同的Al-Si合金，沿著[001] Al區(qū)域軸的衍射圖的示意圖。

試樣在不同條件下的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線繪制在圖4（a）中。HPT將鑄態(tài)試樣的屈服強(qiáng)度從60 MPa提高到173 MPa。同時，總伸長率從5％增加到22％。強(qiáng)度的增加可以通過HPT和變形引起的Si沉淀物從晶粒細(xì)化引起。伸長率的提高可能是由于共晶Si從三維互連薄片破碎成隨機(jī)分布的顆粒而引起的。HPT破壞了Si的互連并縮短了Si相的長度，從而降低了開裂的趨勢。此外，由于硅顆粒分布更均勻，因此在HPT處理的樣品中微裂紋的連接受到了阻礙。因此，HPT處理過的樣品的延展性提高了。

圖4. （a）在不同加工條件下試樣的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。（b）在通過HPST + HPT處理的拉伸試樣的標(biāo)距部分中，von-Mises應(yīng)變的局部分布。（c）對應(yīng)于（b）中位置A到B的應(yīng)變分布的線輪廓。

圖5. 樣品在不同加工條件下的斷裂面。（a）鑄態(tài)的。（b）HPT。（c）HPST。（d）HPST + HPT。

總之，通過包括HPST和隨后的HPT在內(nèi)的新穎的加工方法成功地制備了由超細(xì)Al晶粒和Si納米顆粒組成的塊狀納米Al-Si合金。納米結(jié)構(gòu)的Al-Si合金具有超過400 MPa的超高屈服強(qiáng)度和32％的大伸長率。UFG Al，Si納米顆粒，富集的Si溶質(zhì)和位錯極大地提高了屈服強(qiáng)度。同時，通過將硅相細(xì)化至納米級，避免了粗大的硅相的脆性斷裂，并顯著提高了延展性。這項工作為獲得具有良好機(jī)械性能的塊狀納米結(jié)構(gòu)Al-Si合金提供了一種新方法。