通过厚度比优化和不对称深冷轧制调控铝钛层状复合材料的强塑性协同效应

《Journal of Materials Research and Technology》：Tailoring Strength-Ductility Synergy of Al/Ti Laminates by Thickness Ratio Optimization and Asymmetric Cryorolling

本研究针对传统轧制技术制备Al/Ti层状复合材料时存在的界面脆性相形成和塑性不兼容问题，系统探究了厚度比优化与不对称深冷轧制（ACR）工艺的协同作用。结果表明，ACR工艺通过改善层间变形协调性、提高位错密度和增加小角度晶界比例，显著增强了复合材料的强度并保持了良好塑性，其中Al:Ti厚度比为1.6:1的层板在ACR后获得最优综合性能（抗拉强度432 MPa，延伸率8.1%），为高性能轻量化结构材料设计提供了新策略。

　　

在追求轻量化的高端装备制造领域，如航空航天结构和新能源汽车电池包，材料既要足够坚固，又要具备良好的变形能力。铝钛层状复合材料（Laminated Metal Composites, LMCs）因其结合了铝的轻质、易成型和钛的高比强度、耐热性而备受青睐。然而，将这两种性能迥异的金属“完美”地结合在一起并非易事。传统的轧制 bonding 技术，无论是热轧还是冷轧，都面临棘手难题：热轧时长时间的高温暴露容易在铝钛界面生成脆性的TiAl₃金属间化合物，削弱结合强度；而冷轧则因铝和钛塑性差异巨大，导致变形不协调，界面应力集中，甚至引发脆性钛层颈缩或开裂。这些瓶颈严重制约了铝钛层状复合材料性能的进一步提升和应用拓展。

为了攻克这些难题，来自中南大学高性能复杂制造国家重点实验室的彭欣瑶、宋玲玲等研究人员在《Journal of Materials Research and Technology》上发表了一项创新研究。他们独辟蹊径，将目光投向了两种先进的轧制技术——优化层板厚度比和采用不对称深冷轧制（Asymmetric Cryorolling, ACR），系统探究了二者协同作用对AA6061/TA1铝钛层状复合材料微观结构和力学性能的调控机制与效果。

研究人员为开展此项研究，主要运用了以下几项关键技术方法：首先，他们采用热轧结合后续热处理（520°C固溶处理后水淬）的工艺初步制备了Al:Ti厚度比分别为1.6:1和2:1的层状复合材料，旨在最小化界面脆性相形成。核心工艺是对比研究了不对称深冷轧制（ACR，液氮深冷至-196°C，上下辊速比1.4）和常规室温轧制（RTR，辊速比1.0）对复合材料的影响，总压下量为70%。在表征方面，综合利用了扫描电子显微镜（SEM）观察界面形貌和断口，电子背散射衍射（EBSD）分析微观组织和晶界特征，X射线衍射（XRD）结合改进的Williamson-Hall法定量计算位错密度，透射电子显微镜（TEM）精细解析界面和基体亚结构，并通过维氏硬度测试和室温单轴拉伸试验评估力学性能，同时采用光学显微镜结合数字图像相关技术（OM-DIC）原位监测拉伸过程中的应变场演化。

3.1. 微观结构分析

通过SEM观察发现，所有样品均实现了良好的界面结合，无可见孔洞或分层。定量分析表明，ACR工艺处理的样品其钛层与铝层的减薄率比值（λ）均超过97%，显著高于RTR样品，证明ACR极大地改善了铝、钛异质材料之间的变形协调性。这归因于深冷环境一方面抑制铝的动态回复，提高其变形抗力，另一方面激活钛的孪生变形，增强其塑性变形能力，加之不对称轧制引入的附加剪切应变进一步促进了钛层的变形。

EBSD分析显示，ACR处理的样品，特别是在1.6:1厚度比下，其铝层和钛层中低角度晶界（Low-Angle Grain Boundaries, LAGBs）的比例均高于RTR样品。深冷条件抑制了动态再结晶和晶界迁移，而不对称剪切应变加剧了晶内畸变和位错积累，促进了亚结构形成。高比例的LAGBs能有效阻碍位错运动，有利于强度提升。

XRD位错密度计算结果表明，ACR工艺以及1.6:1的厚度比均有助于在铝层和钛层中积累更高的位错密度。例如，对于1.6:1的层板，ACR后铝和钛的位错密度分别达到5.0×10¹⁴ m^-2和8.0×10¹⁴ m^-2，显著高于RTR处理的样品。高位错密度是材料强化的关键因素之一。

TEM观察进一步证实，ACR 1.6:1样品界面结合良好，而RTR样品界面附近存在微裂纹。在钛层中，ACR样品呈现出高密度位错和孪晶结构，而RTR样品则以位错胞为主。孪晶界的形成增强了钛的变形能力，同时也能有效阻碍位错运动，贡献于强度提升。

3.2. 力学性能

硬度测试表明，ACR处理的样品在整个厚度方向上硬度值均高于RTR样品，且在高速辊侧硬度更高，体现了剪切应变对细晶强化的促进作用。界面附近的硬度通常高于表层，存在硬度梯度。

拉伸测试结果清晰地展示了ACR工艺和优化厚度比的协同增强效果。ACR处理不仅进一步提高了层状复合材料的强度，还保持了与RTR样品相当的延展性。其中，Al:Ti厚度比为1.6:1的层板在经过ACR后表现出最优的综合力学性能，其抗拉强度（Ultimate Tensile Strength, UTS）达到432 MPa，断裂延伸率为8.1%，均优于2:1厚度比的样品以及所有RTR处理的样品。尽管根据混合定律（Rule of Mixtures, ROM），软质铝层比例降低（1.6:1相比2:1）会降低理论强度，但实验结果表明1.6:1样品反而具有更高的强度和延展性。加工硬化曲线分析显示，1.6:1样品具有更高的加工硬化率和更长的硬化阶段，这使其在塑性变形初期能承受更大的变形，均匀变形能力更强。

断口分析显示，所有样品拉伸断裂后界面均有轻微分层，这是层间变形不一致导致的。铝层呈现韧性断裂特征，有韧窝和剪切带；钛层韧窝较小且浅。1.6:1厚度比的样品，其铝层和钛层的韧窝均比2:1样品更大更深，与其更高的延伸率相对应。

4. 讨论

4.1. ACR通过改善变形协调性和优化微观结构提升Al/Ti力学性能

ACR对Al/Ti层状复合材料力学性能的增强主要源于两方面：一是显著改善了铝层和钛层之间的变形协调性，降低了界面应力集中，抑制了微裂纹萌生；二是深度优化了微观结构，包括显著提高位错密度、增加LAGBs比例以及在钛层中引入变形孪晶，这些微观特征共同贡献了显著的强化效果。

4.2. 厚度比通过界面影响区和应变梯度影响Al/Ti层状复合材料的变形行为

厚度比对塑性的影响是非线性的。DIC应变分析揭示了其原因：在拉伸过程中，垂直于拉伸方向的横向应变（ε_yy）在铝钛界面附近高度集中，形成界面影响区（Interface-Affected Zone, IAZ）。在ACR处理的1.6:1样品中，IAZ的总宽度（95.4 μm）和内部的应变梯度均显著大于2:1样品（77.5 μm）。这种强烈的应变梯度诱导产生大量几何必需位错（Geometrically Necessary Dislocations, GNDs），从而显著增强了材料的加工硬化能力，使得1.6:1样品在铝层体积分数较低的情况下仍能获得优异的延展性。

5. 结论

本研究成功通过热轧结合不对称深冷轧制（ACR）工艺制备了高性能铝钛层状复合材料。主要结论包括：ACR工艺通过深冷抑制回复和不对称剪切应变的协同作用，有效改善了铝钛层间的变形协调性（减薄率比值λ > 97%），并显著细化了微观结构（高位错密度、高LAGBs比例、钛层孪生），从而在保持良好塑性的同时大幅提高了材料强度。优化Al:Ti厚度比至1.6:1，能够诱导形成更宽的界面影响区（IAZ）和更强的应变梯度，通过几何必需位错（GNDs）强化机制增强加工硬化能力，最终实现强度与塑性的最佳协同（UTS 432 MPa, 延伸率 8.1%）。该研究为设计和制备高性能金属层状复合材料提供了重要的理论依据和实践指导，凸显了工艺参数与结构参数协同调控在先进材料开发中的关键作用。