通过Sc/Zr微合金化及不同的加工条件，调控AA5454挤压铝合金的微观结构与力学性能

《Materials Research Bulletin》：Tailoring Microstructure and Mechanical Properties of an AA5454 Extruded Aluminum Alloy with Sc/Zr Microalloying and Processing Conditions

本研究探讨了Sc和Zr微合金化对AA5454铝合金在两种均质化处理（350°C/24h和575°C/4h）下机械性能及微观结构的影响。结果表明，低温均质化促进形成细小稳定的Al3Sc和Al3(Sc,Zr)析出相，显著提高屈服强度（增量达77 MPa/0.1 wt.% Sc），但降低塑性；高温均质化导致析出相粗化，强度提升有限。通过TEM、EBSD和电导率分析验证了析出相演变与性能的关系，并建立了预测模型，证实析出强化是主要机制。

　　铝合金在现代工业中扮演着至关重要的角色，尤其是在需要轻量化和高强度的领域，如航空航天、汽车制造和船舶工程。由于铝合金的高强度与轻质特性，它们成为许多应用中材料选择的首选。然而，提高铝合金的性能，尤其是机械性能和微结构稳定性，仍然是一个持续的研究方向。本文探讨了Sc（钪）和Zr（锆）两种微量元素在AA5454合金中的微合金化效果，以及不同热处理工艺对其性能的影响。通过研究Sc和Sc/Zr添加对合金在不同热处理条件下的机械性能和微结构演变，本文揭示了如何优化合金性能并减少对昂贵元素Sc的依赖。

研究对象是AA5454铝合金，这是一种常见的5xxx系列合金，以其良好的可焊性和抗腐蚀性而受到青睐。为了进一步提升其性能，研究人员引入了Sc和Zr两种微量元素。Sc和Zr的加入不仅能够改善合金的强度，还能提高其在热变形过程中的微结构稳定性。此外，由于Sc的高成本，近年来研究重点转向使用较低含量的Sc（≤0.1 wt.%）以达到最佳的性能和经济性。

为了全面评估Sc和Zr对合金性能的影响，研究人员采用了一种结合热处理和机械加工的实验方法。首先，对三种合金进行了不同的热处理：一种是低温处理（350°C/24h），另一种是高温处理（575°C/4h）。随后，进行了480°C的挤压加工。挤压过程中的温度变化显著影响了合金的微结构演化，例如，通过热传导加热，实际的出口温度达到了510-520°C，这对合金的性能具有重要影响。

研究通过多种微观结构表征技术，如光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM），分析了合金在不同处理条件下的结构变化。同时，结合电导率测量和Thermo-Calc模拟，研究人员进一步了解了溶质元素的分布和沉淀行为。这些方法的综合应用为理解合金的性能与结构之间的关系提供了坚实的基础。

研究结果表明，低温处理（350°C/24h）能够促进细小、共格的Al3Sc和Al3(Sc,Zr)沉淀物的形成，从而增强弥散强化和再结晶抵抗能力。相比之下，高温处理（575°C/4h）则抑制了Sc含量合金中Al3Sc的形成，而促进了Sc/Zr合金中粗大的Al3(Sc,Zr)沉淀物的形成。这种差异直接影响了合金的强度表现，例如，在Sc含量合金中，经过低温处理和时效处理后，其屈服强度（YS）显著提升，范围在132-139 MPa之间，而Sc/Zr合金的YS提升范围更大，达到132-164 MPa。具体而言，Sc的添加每增加0.1 wt.%，YS提升约49-77 MPa，这取决于具体的加工路线。

电导率的测量结果也支持了这些发现，显示出溶质元素在合金中的分布和沉淀行为。例如，在低温处理后，Al3Sc和Al3(Sc,Zr)沉淀物的形成有效减少了电子散射，从而提高了电导率。然而，在高温处理后，这些沉淀物的形成受到抑制，导致合金的电导率有所下降。这表明，热处理条件对沉淀物的形成和分布具有显著影响。

在挤压过程中，合金的微结构经历了显著变化。例如，Sc含量合金中的Al3Sc沉淀物几乎完全溶解，而Sc/Zr合金中的Al3(Sc,Zr)沉淀物则部分保留。这说明Sc的热稳定性较低，容易在高温下溶解，而Zr的加入提高了Al3(Sc,Zr)沉淀物的热稳定性，使其在高温处理后仍能部分保留。这种热稳定性差异导致了Sc/Zr合金在机械性能上的优势，尤其是在时效处理后，细小的Al3(Sc,Zr)沉淀物的再沉淀显著提升了合金的强度。

时效处理进一步增强了合金的机械性能，尤其是Sc和Sc/Zr含量合金。例如，在时效处理后，Sc含量合金的YS提升了约62.5%，而Sc/Zr含量合金的YS提升幅度也相当可观。这表明，时效处理能够有效恢复沉淀物的形成，从而增强合金的强度。然而，这种增强是以牺牲一定的延展性为代价的，特别是在Sc/Zr合金中，虽然其强度表现优异，但延展性有所下降，这可能与沉淀物的形成和分布有关。

为了进一步分析合金的强度来源，研究人员建立了一个结合固溶强化、晶界强化和弥散/沉淀强化的预测模型。该模型与实验数据高度一致，表明沉淀强化是合金强度提升的主要因素，尤其是在时效处理后。这一发现对于优化铝合金的加工工艺和材料设计具有重要意义，尤其是在追求高强度和良好延展性的平衡方面。

此外，研究还探讨了机械性能与工艺优化之间的权衡。例如，低温处理（R1）虽然能够显著提升合金的强度，但可能伴随一定程度的延展性下降。相比之下，高温处理（R2）虽然减少了Sc含量合金中Al3Sc的形成，但Sc/Zr合金在高温处理下仍能保持较高的强度。这表明，合金成分和热处理条件的合理选择对于实现最佳性能至关重要。

总的来说，本文的研究为提高5xxx系列铝合金的性能提供了新的思路。通过Sc和Zr的微合金化，以及不同热处理条件的优化，可以有效提升合金的强度和稳定性。然而，这种提升往往伴随着延展性的适度下降，这需要在实际应用中进行权衡。研究结果表明，低温处理和适当的微合金化策略能够在不显著牺牲延展性的情况下，实现合金性能的显著提升，这为未来的材料开发和工业应用提供了有价值的指导。