金属顶刊《Acta Materialia》伸长率超过400%！超细晶铝合金新突破！

导读：本研究介绍了用于超塑性和快速塑料成型工艺的耐时效、细晶AlMgZnCu合金。该研究利用T相（Mg32（Al，Zn）49）进行晶粒细化和时效硬化。它部署了微米大小的T相颗粒的均匀分布，这些颗粒可以在最终固溶退火时溶解，并在板材的工业加工过程中用再结晶成核（PSN），以达到低至4微米的等轴晶粒尺寸。这种细静晶粒尺寸有利于铝合金的高温成型。当在470°C时以10^-2 s^-1或5*10^-5 s^-1的应变率变形时，伸长率超过200%和400%，有趣的是，即使在该温度下保持一天，晶粒结构也非常稳定。此外，在对水或压缩空气中进行淬火进行油漆烘烤热处理后，该材料的屈服强度值超过380MPa。

为了促进进一步的轻量化并减轻汽车的重量，增加铝合金的使用将是有益的。然而，如果铝合金要适合高级应用，就必须解决铝合金的良好成形性和高强度的权衡问题。交叉合金可以极大地帮助解决这个问题。基督教多普勒先进铝合金实验室的学者们通过将5xxx系列合金的高镁含量（具有良好的成形性）与7xxx系列合金（5/7交叉）的沉淀硬化能力相结合，克服了权衡的需求。通过保持锣/锌比<1，通过T相沉淀实现硬化。T相（Mg32（Al，Zn）49）每个单位电池有162个原子和广泛的成分，这取决于合金成分和应用的热处理。降水也可以通过添加Ag[或Cu来增加Guinier-Preston（GP）区形成的数量密度。新型5/7交叉合金的沉淀序列尚未得到充分探索。然而，据建议，正如Stemper等人所总结的那样，虽然降水尚未完全清楚，但它在GP区和T期或η期的前体上进行。

通过使用2步热处理和添加Cu，可以达到5/7交叉合金的高强度水平。在100°C左右预老化，在185°C下进行油漆烘烤（或烘烤硬化）20分钟，导致油漆烘烤响应（PBR）超过150 MPa，总屈服强度水平超过400 MPa。对于添加Cu的5/7交叉合金，Lüders伸长率和Portevin-Le-Chatelier（PLC）效应可以防止或抑制，并报告了由于狭窄的无沉淀区（PFZ）而增强的粒间耐腐蚀性（IGC）。据报道，5/7交叉合金还表现出改进的应力腐蚀开裂（ICC）和耐去角质性能。交叉合金已被证明适用于摩擦搅拌加工（FSP）和常规焊接操作。即使是太空中的专用应用似乎也可行。由于5/7交叉合金具有许多有前途的特性，因此探索其潜在应用领域非常有趣。例如，高温成型工艺，如超塑料成型（SPF）或快速塑料成型（QPF），将具有商业意义，因为最常用的5xxx系列合金，如EN-AW 5083，不能进行老化硬化。

超塑性成型是一种多晶材料可以承受非常高的伸长率而不会失效的过程。在商业上，此类过程在≥0.5Tm（熔点）范围内的温度下以10-4-10-2 s-1的低应变率进行。如果材料要表现出超塑性行为，有两个主要要求：首先，高应变率灵敏度以限制颈部；其次，低损坏积累率（例如空化），以防止材料过早失效。由于应变率灵敏度随着晶粒尺寸的减小而增加，人们普遍认为，商用超塑料铝合金的关键要求是稳定的晶粒尺寸<10μm。

文献中深入讨论了超塑性成形的变形机理。控制超塑料成形的潜在机制是晶界滑动（GBS）。虽然人们普遍认为GBS是在低应变率和高温下超塑料成型的主要机制，但高温成型过程通常伴随着甚至完全由溶质拖拽控制滑蠕变（SDC）控制。这在更高的应变率下更明显≥10−2 s−1和较低的温度，与快速塑料成型更相关。虽然GBS的塑性变形的特点是高应变率灵敏度指数（m≥0.5），但SDC的变形的特点是较低的m值为≈0.25-0.33。

由于小而稳定的晶粒尺寸至关重要，因此已经部署了各种晶粒细化技术。振动和搅拌、快速凝固和添加谷物精炼机可以在凝固过程中进行。超细颗粒可以通过严重塑性变形（SPD）产生，即高压扭转、摩擦搅拌处理、等通道角压或累积卷粘结。然而，由于成本高，样本量小，SPD产品的商业使用仍然很少。再结晶过程中的后续晶粒生长可以通过散体被齐纳固定效应所抑制。

本研究提出了一种5/7交叉合金，具有等轴细粒微结构（≤5微米晶粒尺寸），非常适合SPF和QPF操作，无需额外的制造步骤或化学添加即可生产。加工过程中的晶粒通过微米大小的T相颗粒的独特分布来实现，这些颗粒溶解在最终固溶退火中。研究表明，即使在470°C的温度下24小时，T相诱导的PSN在再结晶期间获得的细颗粒微结构也非常稳定，没有其他元素，如Zr或Sc来形成分散体。它还表明，即使在热成型后用空气冷却时，该合金也具有通常的高时效硬化潜力。相关研究成果以“Fine-grained aluminium crossover alloy for high-temperature sheet forming”发表在顶刊Acta Materialia上。

链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645423002835

图1.冷轧5/7交叉合金的SEM-BSE显微照片（a）；指示T相（b）的发现颗粒的EDX映射，可以通过XRD分析衍射图（c）验证；

图2.R2后合金中散体的STEM/EDX映射；HAADF图像的刻度条也适用于EDX图像。

图3.片材经过再结晶退火（380°C/5 min/WQ）（a）和固溶退火（480°C/1 min/WQ）（b）后的SEM/BSE微观结构图像。

图4.热处理后，SEM-EBSD IPF映射和58%CRD材料的>5°晶界：在盐浴R1中再结晶退火（380/5分钟）（a）；在空气炉R4中进行溶液退火（480°C/35分钟）（b）；未索引为fcc铝相的点以白色显示；归一化晶粒尺寸分布的直方图（c）；与麦肯齐（d）后随机的晶粒边界错向相比。

图5.热处理后85%CRD材料的SEM-EBSD映射和>5°晶界：盐浴中的再结晶退火（380/5分钟）（a）；空气炉中的固溶退火（480°C/35分钟）（b）；未索引为fcc铝相的点以白色显示；归一化晶粒尺寸分布的直方图（c）

图6.在盐浴中进行固溶退火（400°C/1分钟）后，具有58%CRD的板材的真实应力-真实应变曲线。在470°C的温度和1·10−2 s−1（灰色）、5·10−4 s−1（蓝色）和5·10−5 s−1（黄色）（a）的恒定应变率下进行的测试。拉伸试验前后的样品应变率为1·10−5 s−1，采样位置以红色显示。网格单元格大小为1厘米（b）。

图7.热处理后，SEM-EBSD IPF映射和材料>5°晶界与58%CRD：在盐浴中退火和（480°C/1分钟）以及随后的HT拉伸测试（470°C/24 h）（a）；未索引为白色显示的fcc铝相的点；与麦肯齐（b）[69]后随机相比，晶界错位分布；EBSD带对比显微照片的变形区域靠近断裂表面；测试温度470°C，应变率为10−2 s-1（c）、5*10−4 s−1（d）和5*10−5-10−5 s−1（e）；负载方向是水平的。

图8.在盐浴（48°C/1分钟）中溶质退火（SA）后1毫米5/7交叉板的机械性能，水淬火（WQ）和SA和油漆烘烤（PB）后压缩空气淬火（180°C/20分钟）；在SA后进行预老化（PA）（100°C/5 h），在PA和PB之间部署了14天自然老化（NA）25°C。

这项研究提出了一种工业上可行的方法，用于生产晶粒尺寸远低于10微米的细晶粒交叉合金，用于板材成型操作。该研究确定了该过程中的主要晶粒细化机制为粒子刺激成核。由于该相在再结晶期间和之后溶解在基体中，因此不再能对机械性能产生与相同大小不可溶解的相相同的不利影响（并在后期加工阶段导致老化硬化）。该结构表现出出色的稳定性，即使在溶质退火后在470°C下保持24小时，谷物生长也最小。晶粒组件的高稳定性首先是由于接近随机晶粒边界错位分布导致溶质含量对晶粒边界移动性的影响增加。其次，可以清楚地表明，存在的散体表现出大约的齐纳尺寸限制。3.2微米，这意味着在初级再结晶后，晶粒组件已经超过了临界晶粒尺寸，无法设想正常的晶粒生长。

高温拉伸试验证明了合金对超塑料和快速塑料成型工艺的适用性。在这些制度下，这些合金的伸长率值分别高达445%和235%，这些数字与工业建立的合金相当。

该研究根据两种不同的淬火率说明了合金的高保龄硬化潜力。与两者无关，这些合金在接近400 MPa屈服强度和500 MPa拉伸强度的油漆烘烤循环后表现出老化硬化反应。

上述性能，加上其简单生产和大规模商业用途的潜力，使细粒度5/7-铝交叉合金在高温板材成型操作中非常有希望。