新型热机械加工法制备Al-Cu-Mn-Mg-Ag异质结构合金实现强度-塑性协同提升

为解决铝合金强度-塑性难以兼顾的行业难题，研究人员通过多阶段热机械加工（含热轧、冷轧、退火及固溶时效处理）开发出具有双峰晶粒结构（7.9 μm细晶+35.6 μm粗晶）和多重尺度析出相（127.1 nm TMn-Al20Cu2Mn3相+89.7 nm Ω-Al2Cu相）的Al-Cu-Mn-Mg-Ag合金，最终获得508.1 MPa抗拉强度、443.3 MPa屈服强度与14.2%延伸率的优异性能组合，为航空航天用高强韧铝合金设计提供新思路。

　　

在航空航天和武器装备领域，Al-Cu-Mn-Mg-Ag合金因其出色的热稳定性和机械加工性能备受青睐。然而，传统工艺下这类合金始终面临"强度提高则塑性下降"的魔咒——当研究者通过增加析出相来提升强度时，晶界处往往会形成有害的共晶相；而采用剧烈塑性变形改善组织时，又会产生软质的无析出带（PFZ）和粗大晶界析出物（GBPs）。这种"跷跷板效应"严重制约了材料的工程应用潜力。

中国铝业集团联合高校团队在《Journal of Materials Science》发表的研究中，创新性地采用"热轧-冷轧-退火-固溶-时效"多阶段热机械加工路线，成功制备出具有异质结构的Al-4.8Cu-0.65Mn-0.45Mg-0.43Ag合金。研究人员通过调控热轧温度等关键参数，使材料内部形成7.9 μm细晶与35.6 μm粗晶组成的双峰晶粒结构，同时获得127.1 nm的T_Mn-Al₂₀Cu₂Mn₃弥散相和89.7 nm的Ω-Al₂Cu纳米析出相。这种多尺度协同强化的设计使合金最终展现出508.1 MPa抗拉强度、443.3 MPa屈服强度与14.2%延伸率的卓越综合性能。

关键技术包括：采用ICP-OES（电感耦合等离子体发射光谱）精确控制合金成分；通过多道次轧制结合差热分析（DSC）优化再结晶动力学；利用EBSD（电子背散射衍射）和TEM（透射电镜）表征晶粒取向与析出相分布；通过室温拉伸试验评估力学性能。

【微观结构演变】
铸态合金呈现56 μm的枝晶组织，晶界分布着θ-Al₂Cu共晶相（图2）。经过热机械加工后，材料形成独特的双峰晶粒结构，热轧温度显著影响晶粒尺寸分布——400°C处理时粗晶占比达42%，而450°C时降至28%（图3）。

【多尺度析出相形成】
Ω相尺寸随热轧温度升高单调减小（图7），450°C处理的样品中Ω相体积分数达8.7%，远高于传统工艺的5.2%。T_Mn相则通过钉扎晶界有效抑制异常晶粒长大，其热稳定性在400-450°C区间表现最佳。

【力学性能机制】
细晶区通过局部重新取向和位错滑移协调粗晶区的应变不相容性，而纳米Ω相产生的背应力（back stress）引发几何必须位错（GND）积累，导致异质变形诱导（HDI）强化。这种"细晶保塑性+析出相保强度"的协同机制突破了传统强化方式的局限。

该研究不仅为Al-Cu系合金的强韧化设计提供了新范式，更证明通过常规工业流程（如轧制、热处理）即可实现高性能异质结构材料的规模化制备。特别值得注意的是，研究中采用的Mn元素调控策略有效解决了Al-Cu合金高堆垛层错能（166 mJ m^?2）带来的加工难题，为开发新一代航空铝合金奠定了工艺基础。正如Han Zhang团队在结论部分强调的，这种"多尺度协同调控"的设计理念可拓展至其他金属材料体系，具有重要的工程应用价值。