CALPHAD辅助设计实现Al-Zn-Mg-Cu合金强度与淬火敏感性的协同调控

为解决高强铝合金中强度提升与淬火敏感性增加的矛盾问题，研究人员通过CALPHAD辅助的等效沉淀(EP)模型调控Zn/Mg比(RZn/Mg)，设计出具有相同η相理论质量分数(Mη)的Al-Zn-Mg-Cu合金。研究发现当RZn/Mg超过临界值(RZn/MgC)时，合金在保持强度的同时显著降低淬火敏感性，这归因于淬火诱导η相形核率的降低。该研究为航空航天用高强铝合金设计提供了新策略。

　　

在航空航天和交通运输领域，Al-Zn-Mg-Cu合金因其优异的强度、成形性和耐腐蚀性而备受青睐。然而，传统成分优化方法面临一个棘手的矛盾：增加Zn、Mg等关键元素含量虽能提升强度，却会加剧淬火敏感性——即合金在淬火过程中因冷却速率不足导致性能下降的倾向。这种"强度-敏感性"的权衡关系，成为制约高强铝合金发展的关键瓶颈。

以往研究主要通过三种方式调节Zn/Mg比(R_Zn/Mg)：固定Mg变Zn、固定Zn变Mg、或固定(Zn+Mg)总量。但这些方法往往导致强度与敏感性此消彼长，难以实现协同优化。更复杂的是，η'相（主要强化相）和η相（淬火敏感性的主要来源）的沉淀行为对R_Zn/Mg变化呈现非线性响应，使得传统试错法效率低下。

针对这一难题，中南大学的研究团队创新性地采用CALPHAD（计算相图）辅助的等效沉淀(EP)模型，通过控制η相的理论质量分数(M_η)这一关键参数，系统研究了R_Zn/Mg对合金性能的影响规律。相关成果发表在《Materials》期刊上，为高强铝合金设计提供了理论新范式。

研究团队首先基于EP模型设计了四组M_η均为9.6wt%但R_Zn/Mg不同的合金（A1-A4），通过热轧-冷轧工艺制备板材。采用差示扫描量热法(DSC)分析相变动力学，结合透射电镜(TEM)表征η'相形貌，通过时间-温度-性能(TTP)曲线定量评估淬火敏感性。基于Kampmann-Wagner-Numerical(KWN)模型，建立了η相沉淀动力学与淬火敏感性的关联机制。

3.1 微观结构
TEM分析显示，等效M_η合金中η'相的尺寸(d=8.2-8.8nm)和等效半径(r_e=4.1-4.4nm)对R_Zn/Mg变化不敏感。但偏离临界R_Zn/Mg^C时，η'相实际体积分数(f_v)会超过理论预测值(f_v^E)，如A4合金的f_v(5.32%)比f_v^E(4.95%)高7.5%。

3.2 力学性能
固溶处理(ST)样品中，A1和A4因溶质强化效应更强，屈服强度(YS)比A2/A3高15MPa。但经峰时效处理后，四组合金的YS差异缩小至12MPa以内，证实等效M_η设计可保证强度一致性。TTP曲线显示A2/A3的临界冷却系数(k_c=37-41)显著优于A1/A4(65-76)，表明接近R_Zn/Mg^C的合金淬火敏感性更低。

3.3 DSC结果
η相转变激活能(Q*)呈现先增后降趋势：A2(158kJ/mol)和A3(160kJ/mol)的Q*比A1(135kJ/mol)和A4(142kJ/mol)高16-18%。这解释了为何R_Zn/Mg接近临界值时，淬火诱导η相更难形核。

4.1 机理分析
通过引入偏差因子(k_D=M_η/M_η^D)和转变因子(β_D=k_Dβ_A)，优化后的沉淀强化模型将预测误差从5.2%降至1.8%。淬火敏感性模型创新性地采用ΔR_Zn/Mg^cr参数，发现当M_η从7wt%增至12wt%时，ΔR_Zn/Mg^cr从1.2降至0.3，表明高M_η合金对R_Zn/Mg偏移更敏感。

4.2 模型验证
将优化模型应用于文献数据，预测YS误差<3%，k_c误差<8%。特别值得注意的是，在R_Zn/Mg^H区域（高于临界值）设计的合金，其淬火敏感性比R_Zn/Mg^L区域合金低23-35%，这为"高强度-低敏感性"合金设计指明了方向。

该研究通过CALPHAD-EP模型首次建立了η相沉淀行为与宏观性能的定量关系，突破了传统成分优化的经验局限。提出的双路径设计策略——既可通过强度曲线优选R_Zn/Mg，也能沿固定K_QSM曲线调整成分，为航空航天用高强铝合金开发提供了可量化的设计工具。未来研究可进一步探索Cu含量变化对EP模型的影响，并将该策略拓展至Al-Mg-Si等其他时效强化铝合金体系。