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上海交大頂刊：800MPa級！異質結構誘導應變時效強化鋁基復合材料

2023-06-06 15:11:10 作者：材料科學與工程來源：材料科學與工程分享至：

原位自生顆粒增強鋁基復合材料具有高比剛度、高比強度、高塑性及良好的加工性能，是航空航天、裝備制造等領域發展的關鍵材料。Al-Zn-Mg-Cu（7XXX Al）鋁合金由于??/? (Mg(Zn, Cu, Al)₂)析出相強化，是目前強度最高的鋁合金材料體系。人們將原位自生陶瓷顆粒加入Al-Zn-Mg-Cu鋁合金內，以制備更高強塑積的鋁基復合材料。但是，陶瓷-鋁基體間的非共格/半共格界面作為析出相優先形核位點，將促進陶瓷顆粒周圍粗大析出相與無沉淀析出帶的產生，弱化鋁基復合材料內析出相的強化效果。因此，如何調控陶瓷顆粒與析出相間的作用關系，是進一步強化陶瓷顆粒增強時效強化鋁合金復合材料的關鍵問題。

預變形處理（預拉伸或預軋制等）是時效強化鋁合金最常用的去應力、矯形技術手段。預變形引入的位錯將作為合金元素快速擴散通道與優先形核位點，促進時效過程中鋁合金內第二相的形核與長大。大量文獻報告：在相同的熱處理工藝下，預變形后的鋁合金內析出相尺寸偏大，削弱了第二相強化的效果；即使在少數文獻中，預變形后鋁合金的屈服強度升高，其原因往往是由于預變形額外引入了位錯強化，此時鋁合金塑性顯著降低、抗拉強度提升有限。因此，我們需要尋求新的強化策略，在不犧牲塑性的前提下，提高時效強化鋁合金及其復合材料的強度。

異質結構強韌化是近些年金屬結構材料領域最主要研究的增塑增韌策略之一。島狀分布的粗-細晶雙峰或多峰結構，在材料制備過程中易于定量調控，被廣泛應用于高強度鋁合金及其復合材料內。但是，粗大晶粒的加入，在提高塑性的同時，卻犧牲了原本細晶材料高強度的優勢。因此，如何在引入粗晶時保持甚至提高原有細晶材料的強度，是值得深入研究的問題。

值得注意的是，鋁基復合材料內異質結構的引入，勢必會改變預變形過程中材料內的位錯密度和分布，而位錯狀態的改變又將反饋決定鋁合金內第二相的析出行為。因此，能否通過同時調控鋁基復合材料內的異質晶粒結構與合金相析出行為，進一步提高鋁基復合材料的強塑積？回答好這個問題，從科學和工程角度考慮均具有重要意義。

基于以上研究背景，上海交通大學特種材料研究所以原位自生TiB₂顆粒增強Al-Zn-Mg-Cu鋁基復合材料（TiB₂/7050Al）為模型材料，提出了雙峰結構設計結合形變誘導低溫時效（Pre-deformation assisted low-temperature aging，PLA）策略，定量調控了超細晶鋁基復合材料內雙峰晶粒結構參量，消除了陶瓷顆粒周圍和晶界附近的粗大析出相和無沉淀析出帶，在鋁合金粗晶內沿{111}位錯滑移面引入了高密度、大長徑比的層片狀析出相，在不犧牲塑性的前提下，顯著提高了超細晶鋁基復合材料內析出相的強化效果，成功制備出800 MPa級高強塑積鋁基復合材料。相關研究成果近日以 “Enhanced precipitate strengthening in particulates reinforced Al–Zn–Mg–Cu composites via bimodal structure design and optimum aging strategy”為題，發表于國際復合材料領域頂級期刊《Composites Part B: Engineering》（中科院1區，TOP期刊，IF = 11.322）。論文第一作者為上海交通大學劉鈞助理研究員，通訊作者包括上海交通大學陳哲教授。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2023.110772

圖1雙峰結構鋁基復合材料設計制備與析出相調控流程圖

圖2本文制備雙峰結構鋁基復合材料晶粒結構（EBSD）：（a）ND-ED面；（b）ND-TD面；圖（f）為圖（b）中紅色方框區域的局部放大圖；（c）、（d）和（e）分別為圖（f）對應的SEM照片（腐蝕后）、Al元素能譜圖和Ti元素能譜圖；（g）為復合材料內粗晶、細晶區域沿ED方向的反極圖；（h）為復合材料內粗晶、細晶區域的晶粒尺寸分布。

圖3（a）雙峰結構鋁基復合材料、超細晶復合材料及粗晶鋁合金預拉伸過程中的真應力-真應變曲線；（b）預拉伸后雙峰結構鋁基復合材料的TEM照片，展現了預拉伸后雙峰晶粒結構內的位錯分布狀態；預拉伸后雙峰結構鋁基復合材料內粗晶區域的位錯結構（c）STEM-BF像、（d）STEM-DF像。

圖4不同熱處理狀態下雙峰結構鋁基復合材料的STEM-HAADF像及其對應的EDS能譜圖：（a）T6;（b）PT6;（c）PLA。圖中給出了不同熱處理狀態下TiB₂顆粒-鋁基體界面析出相特征。

圖5不同熱處理狀態下雙峰結構鋁基復合材料內粗-細晶界面析出相特征：T6狀態下的（a）STEM-BF像和（d）STEM-HAADF像；PT6狀態下的（b）STEM-BF像和（e）STEM-HAADF像，其中（g）~（j）分別給出了Al、Zn、Mg、Cu元素能譜圖；PLA狀態下的（c）STEM-BF像和（f）STEM-HAADF像；

圖6形變誘導低溫時效（PLA）熱處理狀態下雙峰結構鋁基復合材料內位錯和析出相特征：（a）粗-細晶界面附近的BF像；（b）粗晶區域局部放大BF像，展現了位錯附近的析出相；（c）圖（b）所對應的DF像；（d）、（e）、（f）分別為圖（c）對應的Zn、Mg、Cu元素能譜圖；（g）粗晶區域的HRTEM像；（h）和（i）分別為圖（g）中對應位置的傅里葉變換衍射斑點圖；（j）圖（g）中h區域沿Al (1–11)晶面的反傅里葉變換圖像，展現了析出相附近的位錯結構。

圖7（a）雙峰結構鋁基復合材料微區硬度分析后的掃描電鏡照片（SEM），插圖分別給出了紅色方框區域內的Ti元素分布及其對應的晶粒結構（EBSD），從圖中可以判斷出每個微區硬度點的表征位置（粗晶區、細晶區和粗-細晶界面區）;（b）雙峰結構鋁基復合材料內不同特征區域（粗晶區、細晶區和粗-細晶界面區）的微區硬度分布圖。圖（b）采用了箱型圖和雙因素方差分析體現不同區域硬度值的統計規律。

圖8（a）-（i）不同熱處理狀態下雙峰結構鋁基復合材料的拉伸應力-應變曲線，及其與相同PLA熱處理狀態下（ii）超細晶復合材料和粗晶鋁合金的拉伸應力-應變曲線；（b）本文制備雙峰結構鋁基復合材料與文獻報道Al-Zn-Mg-Cu（7XXX Al）鋁合金及其復合材料的力學性能對比。圖中展現出本文制備鋁基復合材料具備較高的強塑積水平。

該研究團隊長期從事原位自生顆粒增強鋁基復合材料的強韌化方法和機理研究。近5年來，在鋁基復合材料塑性加工改性（Materials Research Letters, 2018(6): 8, 406-412; Journal of Alloys and Compounds 767 (2018): 293-301; Materials Characterization, 155 (2019) 109790; Materials Characterization 182 (2021) 111531；Materials Science & Engineering A 805 (2021) 140614）、快速凝固鋁基復合材料粉體工程（Materialia 8 (2019) 100458; Materials Characterization 155 (2019) 109834; Materials and Design 182(2019) 108045; Journal of Alloys and Compounds 816 (2020) 152584）、陶瓷顆粒-鋁基體界面設計（Acta Materialia 185 (2020) 287–299; Acta Materialia 242 (2023) 118470）、構型化設計調控（Composites Part B 260 (2023) 110772; Materials Science & Engineering A 875 (2023) 145139）等方面取得了一系列研究成果，設計制備出高強度高塑性鋁基復合材料，并努力推動其在航空、航天等關鍵領域的應用。