Al2O3纳米颗粒增强Al-Mg-Si基复合材料的摩擦搅拌加工制备及其沉淀行为研究

针对金属基复合材料(MMC)中强化相与基体协同作用机制不明确的问题，奥地利格拉茨理工大学团队通过摩擦搅拌加工(FSP)技术制备Al2O3/Al-Mg-Si复合材料，系统研究了后处理热处理(PPHT)对沉淀现象的影响。研究发现纳米颗粒可有效抑制晶粒长大但会加速沉淀过程，揭示了强化相尺寸与沉淀强化的竞争机制，为高性能复合材料设计提供理论依据。

　　

在轻量化材料领域，铝基复合材料因其优异的强度-重量比备受关注，但如何平衡增强相与基体的协同强化效应仍是重大挑战。传统制备方法存在增强体分布不均、界面结合弱等问题，而沉淀强化型铝合金的热处理制度与增强相的相互作用机制更缺乏系统研究。奥地利格拉茨理工大学联合波兰华沙理工大学的研究团队在《Journal of Alloys and Compounds》发表重要成果，通过创新性的摩擦搅拌加工(FSP)技术，揭示了Al₂O₃纳米颗粒对Al-Mg-Si合金沉淀行为的调控规律。

研究团队采用多学科交叉的研究方法：通过双道次FSP（转速3200 rpm）实现纳米颗粒均匀分散；结合电子背散射衍射(EBSD)分析晶界特征；利用高分辨透射电镜(STEM)表征β"相演变；基于微硬度测试和强化模型定量解析各强化机制贡献。特别选取6060铝合金（含0.57 wt.% Mg和0.43 wt.% Si）为基体，采用14 vol.% Al₂O₃纳米颗粒（平均粒径78 nm）作为增强相。

【微观组织演化】
EBSD分析显示，Al₂O₃的加入使晶粒尺寸从非增强样的17 μm降至4 μm，经固溶处理(520°C/2h)后仍保持稳定，而未增强样品晶粒异常长大至400 μm。几何必须位错(GND)密度计算表明，复合材料中位错密度高达10¹⁴ m^-2，是非增强样的1.7倍。

【沉淀行为特征】
STEM观察发现关键现象：1）仅时效处理的复合材料中，Al₂O₃颗粒周围形成175 nm宽的无沉淀区(PFZ)，其间分布着尺寸达200 nm的粗化β"相；2）经固溶+时效处理的样品中，沉淀过程整体加速，出现典型过时效组织，包含B'/Q'相（尺寸10 nm）与β"相（3×4 nm）共存。

【强化机制解析】
定量计算表明：非增强样品中沉淀强化贡献达220 MPa（占总强度66%），而复合材料因过时效导致沉淀强化降至57-115 MPa。尽管Al₂O₃通过Orowan机制提供29 MPa强化增量，但无法弥补沉淀强化的损失，最终导致复合材料硬度（61 HV0.2）低于峰值时效非增强样（95 HV0.2）。

这项研究首次阐明了FSP制备的MMC中"增强相-位错-沉淀相"三元相互作用机制：1）纳米颗粒通过Zener钉扎稳定细晶组织；2）热膨胀系数差异产生的高位错密度加速沉淀动力学；3）增强体界面消耗溶质原子导致PFZ形成。研究成果为航空航天用轻量化复合材料的热处理工艺优化提供了重要理论指导，特别指出对于纳米颗粒增强的沉淀强化型合金，必须重新设计时效制度以平衡细晶强化与沉淀强化的协同效应。论文提出的"多尺度结构协同调控"思路，对开发新一代高性能金属基复合材料具有普适性意义。