打破纳米TiB基2/Al-2Li-2Cu-0.2Sc金属基复合材料中的强度-延展性权衡

《Journal of Materials Research and Technology》：Breaking the strength-ductility trade-off in nano-TiB 2/Al-2Li-2Cu-0.2Sc metal-matrix composites

纳米-TiB?增强Al-2Li-2Cu复合材料通过高能球磨、真空熔炼、超声处理和挤压铸造协同制备，并添加0.2wt.% Sc实现晶粒细化至20μm，显著提升强度（UTS 266MPa）和延展性（El. 16.0%），其UTS×El.值达4.256 GPa·%，创高Li含量复合材料新基准。

　　本文研究了如何通过一种创新的多阶段制造工艺，实现高性能纳米TiB?增强的Al-Li复合材料的制备。这种材料在航空航天、汽车和军事工业中具有重要应用潜力，因为它结合了高性能陶瓷颗粒与金属基体的优点。然而，传统铸造技术在制备这类纳米增强复合材料时面临诸多挑战，例如纳米颗粒的持续聚集以及铸造缺陷的产生。为了克服这些问题，研究人员开发了一种结合了高能球磨、真空熔炼、超声处理和挤压铸造的新型工艺。该方法不仅实现了纳米TiB?在Al-2Li-2Cu熔体中的无缝引入和均匀分散，还成功消除了铸造缺陷，为制备高性能Al-Li复合材料提供了新的思路。

研究发现，添加Sc（0.2 wt.%）与纳米TiB?的协同作用在优化固相微结构方面具有重要作用。具体来说，Sc的加入能够显著细化α-Al晶粒，将其尺寸从40μm降低至20μm，同时促进TiB?颗粒在基体中的均匀分布。这种微结构的优化使得0.5 wt.%纳米TiB?/Al-2Li-2Cu-0.2Sc复合材料的抗拉强度（UTS）、屈服强度（YS）和延伸率（El.）分别达到了266 MPa、155 MPa和16.0%，比未添加Sc的复合材料分别提高了15.7%、23.0%和7.0%。特别是，这种材料的UTS×El.乘积达到了4.256 GPa·%，这一数值超过了大多数以往的高Li含量复合材料，表明该材料在强度和延展性方面具有优越的综合性能。

纳米TiB?颗粒在Al-Li合金中的应用具有重要意义，因为它们能够有效提升材料的力学性能。然而，由于Al-Li合金对氢气和氧化的敏感性，将纳米颗粒引入熔体的过程往往面临困难。因此，研究团队采用了高能球磨和真空熔炼的方法，以确保纳米颗粒的充分分散和稳定。此外，超声处理在促进纳米颗粒的均匀分布方面起到了关键作用。通过超声处理，熔体中的纳米颗粒能够避免因固相界面形成的聚集，从而实现更均匀的分布。同时，超声处理还能促进气体的逸出，降低熔体中的氢含量，提高材料的纯净度和机械性能。

在制备过程中，研究人员还观察到Sc元素对微结构优化的显著影响。Sc的加入不仅有助于细化晶粒，还能改善纳米颗粒与基体之间的界面特性。具体而言，Sc元素能够促进形成Al?Sc或Al?(Sc,Zr)等相，这些相与基体之间具有良好的相容性，从而在固相过程中提供更多的成核位点，提高成核率。此外，Sc元素的加入还能改变纳米颗粒的分布状态，使其更容易被基体捕获，减少在晶界处的聚集，从而改善材料的整体性能。

从微观结构的角度来看，纳米TiB?颗粒在Al-2Li-2Cu基体中的分布状态对材料的性能有直接影响。通过扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）的观察，研究人员发现纳米TiB?颗粒不仅分布在晶界区域，还部分嵌入晶粒内部。这种分布模式有助于提升材料的强度和韧性，同时减少脆性相的负面影响。此外，通过元素映射分析，可以更直观地观察到纳米颗粒与基体之间的相互作用，例如Zr和Sc元素在纳米颗粒表面的富集，以及这些元素如何影响纳米颗粒的分散和固相过程。

材料的机械性能不仅依赖于微结构的优化，还与多种强化机制密切相关。其中，晶粒细化强化是提升材料强度的重要途径。晶粒越细，晶界越多，从而对位错运动产生更大的阻碍，提高材料的屈服强度。此外，Orowan强化机制也起到了关键作用，它通过纳米颗粒与位错之间的相互作用，限制位错的滑移，从而提升材料的强度。同时，热失配强化机制也在材料性能的提升中发挥了重要作用，因为纳米TiB?与Al基体的热膨胀系数差异较大，导致在固相过程中产生更多的位错，进一步增强材料的强度。

研究还指出，纳米颗粒的分布状态直接影响材料的延展性。如果纳米颗粒在晶界处聚集，容易导致裂纹的产生和扩展，从而降低材料的韧性。然而，通过优化的制造工艺，纳米颗粒能够更均匀地分布在基体中，减少裂纹的形成，并提高材料的塑性。此外，通过观察断裂表面的形貌，可以进一步确认材料的延展性。研究发现，添加Sc元素的复合材料在断裂表面呈现出更多的微小凹坑，这表明其塑性得到了显著提升。

综上所述，本文提出了一种创新的制造工艺，成功解决了纳米TiB?在Al-Li合金熔体中的引入和分散问题。该工艺不仅提升了材料的强度和韧性，还通过多种强化机制实现了性能的协同优化。同时，研究还揭示了Sc元素在改善纳米颗粒分布和提升材料性能方面的重要作用。这些发现为未来开发高性能、轻质的铝基复合材料提供了新的思路和技术支持。