不同温度轧制下FRAM-6061铝合金的微观组织演变与强韧化机制研究

为解决摩擦轧制增材制造（FRAM）铝合金因晶粒尺寸不均和位错密度低导致的力学性能不足问题，研究人员通过室温轧制（RR）与深冷轧制（CR）对比实验，结合EBSD、XRD和TEM技术，揭示了CR通过促进晶粒旋转和位错强化实现均匀组织与强韧协同的机制，为高性能铝合金设计提供了新思路。

　　

铝合金作为轻量化材料在航空航天等领域应用广泛，但传统增材制造技术因高温熔融易导致晶粒粗化和缺陷。摩擦轧制增材制造（FRAM）虽通过固态加工减少缺陷，但层间晶粒尺寸差异仍可能引发裂纹。更棘手的是，FRAM过程中高温会降低位错密度，削弱材料强度。如何通过后处理提升FRAM组件的力学性能，成为亟待解决的难题。

山东大学的研究团队独辟蹊径，将目光投向轧制工艺——这一简单高效的塑性变形方法。他们创新性地对比了室温轧制（RR）与深冷轧制（CR）对FRAM-6061铝合金的影响，发现CR能通过独特的晶粒旋转机制缩小粗细晶粒尺寸差，形成均匀组织。更令人振奋的是，CR样品展现出高达30%的延伸率提升，同时强度显著提高，打破了传统认知中强度与塑性此消彼长的"魔咒"。这项发表于《Materials Science and Engineering: A》的研究，为铝合金强韧化提供了新范式。

研究采用三大关键技术：电子背散射衍射（EBSD）分析晶粒取向演变，X射线衍射（XRD）量化位错密度，透射电镜（TEM）观察亚结构特征。实验以2mm厚6061铝合金带材为原料，通过FRAM制备层高0.5mm的组件，分别在室温和液氮环境（-196°C）下进行多道次轧制。

【Grain morphology】部分揭示：RR样品主要依赖位错滑移形成大量小角度晶界（LAGBs），而CR样品通过晶粒旋转协调变形，使平均晶粒尺寸差从初始的15.2μm降至4.8μm。EBSD反极图显示CR样品储存能比RR样品高18%，这为后续位错强化奠定基础。

【Texture evolution】结果表明：RR样品中硬取向晶粒占比达47%，而CR样品软取向晶粒比例提升至62%。这种织构差异解释了CR样品延伸率的显著提升——软取向晶粒更易启动多滑移系，延缓颈缩发生。

【Mechanical properties】数据显示：CR样品屈服强度（YS）和抗拉强度（UTS）分别达到328MPa和396MPa，较RR样品提高12%和9%，同时延伸率从8.5%跃升至11.2%。TEM观察到CR样品中位错缠结密度是RR样品的2.3倍，证实位错强化是主导机制。

结论部分指出：CR通过抑制动态回复保留更高位错密度，同时晶粒旋转机制有效缓解组织不均匀性。这种"双管齐下"的策略使材料同时获得高强度和高塑性。研究不仅阐明了温度对FRAM后处理的关键影响，更开发出可兼顾效率与性能的工艺方案。工程应用上，该成果为航天器轻量化构件制造提供了可靠的技术路径——通过CR处理，FRAM组件既能满足承重需求，又具备优异抗冲击性能。理论层面，研究首次揭示了低温条件下晶粒旋转主导的变形机制，为固态加工领域提供了新认知。

值得注意的是，团队发现CR过程中Al₃Sc析出相的非剪切特性进一步提升了加工硬化能力，这为后续开发新型铝合金成分指明了方向。正如通讯作者Bin Yang在讨论中强调的："这项研究架起了增材制造与塑性变形理论间的桥梁，证明通过精准控制变形温度，可以解锁材料前所未有的性能潜力。"