高压滑动技术(MPIF-HPS)在AA7075铝合金超细晶材料制备中的可扩展性研究及其力学性能提升机制

本研究针对传统剧烈塑性变形(SPD)技术难以规模化应用的瓶颈问题，开发了多道次增量进给高压滑动(MPIF-HPS)新工艺。英国埃及大学与艾因夏姆斯大学团队通过4道次室温加工，成功将AA7075铝合金晶粒尺寸细化至200 nm，使抗拉强度提升44%达650 MPa，延伸率提高56%至22%。该技术通过有限元模拟和EBSD分析验证了应变均匀性，为工业化生产大尺寸超细晶材料提供了新方案。

　　

在材料科学领域，如何实现金属材料强度与塑性的同步提升一直是研究者们追逐的"圣杯"。特别是对于AA7075这类高强度铝合金，其优异的强度重量比使其成为航空航天领域的宠儿，但传统加工方法往往面临"鱼与熊掌不可得兼"的困境——强度提升常以牺牲塑性为代价。更令人头疼的是，现有剧烈塑性变形(SPD)技术如高压扭转(HPT)虽能制备超细晶(UFG)材料，却受限于样品尺寸难以规模化应用，犹如"巧妇难为无米之炊"。

英国埃及大学与艾因夏姆斯大学的研究团队另辟蹊径，在《Heliyon》发表的研究中提出了一种创新解决方案——多道次增量进给高压滑动(MPIF-HPS)技术。这项研究犹如在材料加工领域投下一枚"深水炸弹"，通过独特的模具设计和加工路径，成功将可加工样品尺寸扩大至4×120×10 mm，打破了传统SPD技术的尺寸桎梏。研究团队采用室温加工策略，通过4道次累积变形，在AA7075铝合金中实现了平均晶粒尺寸约200 nm的超细晶结构，同时创造了强度与塑性"双丰收"的奇迹——抗拉强度达650 MPa，延伸率22%，较原始材料分别提升44%和56%。

研究采用了三大关键技术：首先是创新的MPIF-HPS加工系统，通过带2°倾角的约束槽设计实现可控高压剪切；其次是先进的表征手段，包括电子背散射衍射(EBSD)分析晶界特征和取向分布，扫描电镜(SEM)观察微观组织演变；最后是ABAQUS有限元模拟，采用六面体二次元和ALE方法准确预测应变分布。特别值得一提的是，团队建立了15-50 GPa的可控压力范围，并通过增量5 mm的滑动距离确保变形均匀性。

【微观结构分析】
EBSD分析揭示了MPIF-HPS加工中晶粒细化的动态过程：初始粗晶(600μm)首先形成低位错亚结构(LAGBs)，随着应变累积逐步转变为高位错晶界(HAGBs)。四道次加工后，连续动态再结晶(CDR)机制导致晶粒尺寸降至200 nm。SEM观察发现Fe/Mg富集相粒子在变形中破碎，起到钉扎晶界作用，这种"边破坏边建设"的机制为超细晶形成提供了关键条件。

【力学性能】
拉伸测试显示力学性能呈"先抑后扬"趋势：首道次后延伸率暂时下降，但随着加工道次增加出现反常的强度-塑性协同提升。四道次样品展现出650 MPa抗拉强度和22%延伸率的优异组合，硬度也从初始105 HV提升至165 HV。这种"越挫越勇"的性能演变与应变均匀化过程密切相关。

【模拟验证】
有限元分析绘制了应变演变的"地图"：首道次应变分布不均，但四道次后实现良好均匀性。模拟显示最大应变达3.2，与硬度测试结果高度吻合（误差<5%），验证了模型的可靠性。特别值得注意的是，应变在样品顶部和中心区域形成"热点"，这种独特的分布模式为理解性能各向异性提供了新视角。

这项研究的突破性意义体现在三个方面：技术上，MPIF-HPS首次实现了大尺寸样品的超细晶制备，解决了SPD技术产业化的"最后一公里"难题；理论上，阐明了AA7075在室温高压剪切下的晶粒细化机制，丰富了剧烈塑性变形理论体系；应用上，开发出的材料兼具航空级强度与良好成形性，为轻量化结构件制造提供了新选择。正如研究者所言，这项技术"像一把万能钥匙"，有望打开多种金属材料性能优化的大门。未来研究可进一步探索该技术在其它合金体系的应用潜力，以及工业化生产中的工艺优化空间。