《Acta Materialia》大塑性变形制备高强高热稳定性的新型铝合金！

编辑推荐：本文提出了一种利用大塑性变形制备具有高强度和高热稳定性的新型可时效强化铝合金的方法。通过高压扭转使合金得到40000左右的剪切应变。理论分析了大塑性变形对显微结构和性能的影响。本研究提出的改善Al-Zr合金的处理方法，大大提高了合金性能。

高强度铝合金经过多年发展已经得到多种应用，尤其是汽车和航空工业领域。轻质高强铝合金被认为是传统铸造Ti和Fe基合金的潜在替代品，能够有效减少结构部件的重量。然而纯铝的低强度和低热稳定性限制了其在结构应用中的扩展，通常加入多种合金元素细化组织，进而改善强度，通过对这些合金进行冷加工和时效处理可以强化固溶强化、沉淀强化、晶界强化和位错强化来提高强度。在铝合金中加入锆（Zr）能够有效提升合金的热稳定性，但是Zr的问题是在固相状态下不溶于Al，部分Zr会形成Al₃Zr。由于Al-Zr的热力学不相溶性，Al-Zr合金不被认为是高强度和时效硬化合金，这大大限制了Al-Zr合金的应用。

 

日本九州大学的研究人员将Al-Zr合金进行大塑性变形（SPD）-高压扭转（HPT），在合金中产生过饱和固溶体，探讨了过饱和析出和时效对合金硬度和电导率的影响，硬度可达148Hv，可在523K下保持性能稳定。相关论文以题为“Developing age-hardenable Al-Zr alloy by ultra-severe plastic deformation: significance of supersaturation, segregation and precipitation on hardening”发表在金属材料顶级期刊Acta Materialia。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.116503

本研究使用铸态Al-5%Zr（wt%）为初始材料；进行高压扭转（HPT），压力P=6GPa，室温下转速为1prm；经HPT后在不同温度下（423、503、523、543、563、583K）时效48h，评价热稳定性和时效硬化。

 

研究发现与传统的SPD和其他处理技术相比，在室温下超强SPD使合金在Al基体中形成约2.9 wt%的过饱和固溶体，这两种元素被认为是不相溶的。Al中Zr每固溶1 at%晶格参数增加约0.0049 。剩余的Zr形成了稳定的纳米级Al₃Zr相作为非均质形核质点。随着Zr溶质浓度的增加，Al基体缺陷生成率增加，晶粒尺寸仅为73 nm，为现有报道的SPD Al-Zr合金中晶粒尺寸最小的，显微硬度急剧增加至138Hv。

图1 合金经不同程度HPT处理后显微硬度随(a)离圆盘中心的距离和(b)剪切应变的变化

图2 (a)时效温度和(b)时间对合金硬度和电导率的影响

 

经HPT后Al-Zr因存在过饱和固溶体，所以可时效硬化，时效后晶粒尺寸最大为143nm，硬度最高至143Hv，比现有报道的Al-Zr合金最大硬度高约2倍。形成的析出相能够有效阻碍晶界迁移，使合金具有良好的热稳定性，经523K处理后硬度才开始下降。Zr在Al中固溶将导致电导率下降，后续时效过饱和固溶体分解又会提升电导率。（文：破风）

图3 (a-c)初始样品、(d-f)经HPT处理N=1000匝和(g-i)经HPT处理N=1000匝时效48h样品的TEM亮场图像(左)、暗场图像(中)和相应的SAED模式(右)。

 

图4 (a, e, i)亮场图；(b, f, j)HAADF图；(c, g, k)Zr元素EDS；(d, h, l)强度；

(a-d)初始试样；(e-h)经HPT处理N=1000匝；(i-l)经HPT处理N=1000匝时效503K×48h

图5 (a) Al内部位错；(b) Al₃Zr相内的位错；(c) Al/Al和Al/Al₃Zr高角晶界；(d) Al₃Zr/Al₃Zr高角晶界

图6 HPT处理N=1000匝，503K×48h时效后的TEM图像：(a) Al基体内刃型位错；(b)Al/Al₃Zr相间边界；(c)Al₃Zr在Al内部形貌；(d) Al₃Zr的放大图；(e)Al/Al晶界形成AlZr薄层；(f)放大(e)中方框视图

图7 Al-5%Zr铸态试样(左)、SPD处理后试样(中)和SPD处理并503K×48h时效后组织演变示意图(右)