通过梯度结构和二次沉淀作用，同时提高铝合金的强度和延展性

《Journal of Materials Science & Technology》：Concurrent enhancement of strength and ductility in aluminum alloys via gradient structures and secondary precipitation

本研究采用激光冲击强化（LSP）与低温时效结合，在7075铝合金中构建梯度微结构，通过协调位错网络与纳米析出物的协同作用，显著提升强度与延展性，突破传统热处理强度-韧性失衡瓶颈。

　　在现代材料科学领域，金属材料的性能优化一直是研究的核心方向之一。尤其是在航空航天、交通运输等高要求行业，对材料的强度和韧性提出了更高的标准。传统的材料强化方法虽然在一定程度上能够提高金属的强度，但往往以牺牲韧性为代价，这种强度与韧性之间的矛盾成为制约金属材料应用的关键问题之一。近年来，梯度微结构设计作为一种新兴策略，被广泛认为是解决这一矛盾的有效途径。然而，在铝基合金领域，尤其是具有高堆垛层错能（SFE）的材料中，梯度微结构设计的应用却面临诸多挑战。本文的研究旨在探讨如何通过特定的加工技术，克服这些挑战，实现铝基合金的高强度与高韧性协同提升。

铝基合金因其优异的强度-重量比而被广泛应用于航空、航天和汽车工业。其中，Al-Mg-Zn-Cu系列合金由于其高密度的纳米级析出相，展现出显著的机械性能。然而，这类合金在强化处理过程中，往往会导致材料的塑性下降，从而影响其在实际应用中的可靠性。这一现象在高SFE的铝基合金中尤为明显，因为它们的加工硬化能力主要依赖于位错的增殖，而这种位错增殖在一定程度上会导致局部应变集中，最终引发材料的早期失效。因此，如何在保持高强度的同时，提高材料的韧性，成为研究者关注的重点。

梯度微结构设计通过调控材料内部的微观组织，实现多尺度的协同变形，从而有效缓解强度与韧性之间的矛盾。这一策略已经在多种金属材料中取得了成功，如钢铁、钛、镍、铜等。在这些材料中，梯度结构不仅能够提高强度，还能保持较高的塑性。然而，在析出强化型铝基合金中，传统的梯度微结构设计方法却未能达到理想的效果。例如，采用类似于TWIP钢的扭转变形工艺对6061铝基合金进行处理，虽然在一定程度上提高了强度，但同时也导致了塑性的显著下降和加工硬化能力的减弱。这一现象主要归因于在加工过程中缺乏协调的变形机制，如孪晶或堆垛层错的形成，同时，严重的塑性变形还会导致析出相的溶解，从而削弱材料的整体强化效果。

为了克服这些限制，本文提出了一种新的策略，即通过梯度超高应变率变形结合后续的缺陷辅助低温时效，来设计具有位错网络和二次纳米析出相的复合梯度微结构。这一策略的核心在于利用超高应变率变形过程中产生的高密度空位，作为二次析出相形成的驱动力。在室温条件下，这些空位能够促进析出相的形成，从而增强材料的加工硬化能力。此外，这种加工方法还能够有效保留材料的原有析出相，避免其在加工过程中被破坏。通过这种策略，研究者能够在不牺牲塑性的前提下，显著提高材料的强度。

激光冲击加工（LSP）作为一种非接触式的加工技术，能够诱导超高应变率变形，其应变率可以达到10^6/s以上。LSP通过激光驱动的等离子体冲击波作用于材料表面，从而产生强烈的塑性变形。这种变形不仅能够形成细小的晶粒，还能在材料表面形成高密度的位错结构。通过LSP处理，材料的表面层能够获得显著的细化效果，同时，其内部的缺陷密度也会增加。这些缺陷为后续的析出相形成提供了必要的驱动力。在低温时效条件下，这些缺陷能够进一步促进析出相的形成，从而实现材料的梯度强化。

本文以7075铝基合金为模型系统，探讨了LSP结合低温时效的协同作用对材料性能的影响。研究结果表明，采用对称的LSP策略和适当的低温时效条件，能够成功地在7075铝基合金中形成一种“外硬内软”的梯度微结构。这种结构不仅能够提高材料的强度，还能保持较高的塑性。通过LSP处理，材料的表面层能够获得显著的细化效果，同时，其内部的位错网络能够协调不同尺度的变形，从而避免局部应变集中。在低温时效过程中，这些位错网络能够进一步促进析出相的形成，从而增强材料的加工硬化能力。

具体而言，LSP处理后的7075铝基合金表面层呈现出细小的晶粒结构，这些晶粒内部形成了密集的位错子结构。电子背散射衍射（EBSD）分析进一步证实了这一现象，表面层的晶粒细化伴随着大量低角度晶界（LAGBs）的形成。而在材料的内部，位错网络的形成不仅能够促进晶粒尺度的协同变形，还能进一步引导析出相的形成。这些析出相能够填充原有的析出相自由区（PFZs），从而减少局部塑性变形的不利影响。通过这种策略，研究者能够在不牺牲塑性的前提下，显著提高材料的强度。

此外，本文还探讨了LSP处理对材料内部缺陷密度的影响。通过透射电镜（TEM）和高角度环形暗场-扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）等技术，研究者能够观察到在LSP处理后，晶界区域的缺陷密度显著增加，而晶粒内部的缺陷密度则相对较低。这一现象进一步表明，LSP处理不仅能够形成梯度的微结构，还能有效促进析出相的形成。通过后续的低温时效处理，这些析出相能够在材料内部均匀分布，从而实现材料的梯度强化。

在材料科学领域，强度和韧性的协同提升一直是研究的热点。传统的强化方法往往只能在单一方向上优化材料性能，而无法实现两者的协同提升。本文提出的新策略通过结合LSP和低温时效，实现了材料的梯度微结构和二次析出相的协同设计，从而在不牺牲塑性的前提下，显著提高材料的强度。这一策略不仅适用于7075铝基合金，还可能为其他析出强化型铝基合金的性能优化提供新的思路。

通过LSP处理，材料的表面层能够获得显著的细化效果，同时，其内部的位错网络能够协调不同尺度的变形，从而避免局部应变集中。在低温时效过程中，这些位错网络能够进一步促进析出相的形成，从而增强材料的加工硬化能力。这种策略的优势在于，它能够有效保留材料的原有析出相，避免其在加工过程中被破坏，同时，还能通过控制应变率和时效条件，实现材料性能的精确调控。

此外，LSP作为一种非接触式的加工技术，具有显著的环境和技术优势。与传统的加工方法相比，LSP能够在不引入污染的情况下，实现材料的精细加工。同时，LSP能够生成稳定的微结构和残余应力场，从而提高材料的综合性能。这种加工方法不仅适用于7075铝基合金，还可能为其他高SFE的铝基合金提供新的加工路径。

在材料科学领域，梯度微结构设计被认为是一种有效的策略，能够克服强度与韧性之间的矛盾。然而，在析出强化型铝基合金中，传统的梯度微结构设计方法往往难以实现这一目标。本文提出的新策略通过结合LSP和低温时效，实现了材料的梯度微结构和二次析出相的协同设计，从而在不牺牲塑性的前提下，显著提高材料的强度。这一策略不仅适用于7075铝基合金，还可能为其他高SFE的铝基合金提供新的思路。

通过LSP处理，材料的表面层能够获得显著的细化效果，同时，其内部的位错网络能够协调不同尺度的变形，从而避免局部应变集中。在低温时效过程中，这些位错网络能够进一步促进析出相的形成，从而增强材料的加工硬化能力。这种策略的优势在于，它能够有效保留材料的原有析出相，避免其在加工过程中被破坏，同时，还能通过控制应变率和时效条件，实现材料性能的精确调控。

在实际应用中，材料的性能优化不仅需要考虑其强度和韧性，还需要关注其加工工艺的可行性。LSP作为一种高效的加工技术，能够在不引入污染的情况下，实现材料的精细加工。同时，LSP能够生成稳定的微结构和残余应力场，从而提高材料的综合性能。这种加工方法不仅适用于7075铝基合金，还可能为其他高SFE的铝基合金提供新的加工路径。

综上所述，本文的研究为析出强化型铝基合金的性能优化提供了新的思路。通过结合LSP和低温时效，研究者能够实现材料的梯度微结构和二次析出相的协同设计，从而在不牺牲塑性的前提下，显著提高材料的强度。这一策略不仅适用于7075铝基合金，还可能为其他高SFE的铝基合金提供新的加工路径。未来，随着对材料性能需求的不断提高，梯度微结构设计和析出相控制将成为材料科学领域的重要研究方向，为高性能铝基合金的开发提供新的技术支持。