通过喷射成形和双步挤压工艺克服Al-Zn-Mg-Cu合金的强度-塑性权衡问题

《Journal of Materials Research and Technology》：Defeating strength-plasticity trade-off of Al-Zn-Mg-Cu alloy by spray forming and double step extrusion

双相铝合金喷墨成型联合双向挤压工艺对显微组织与力学性能的影响研究。摘要：采用喷墨成型制备Al-10Zn-2.3Mg-1.2Cu合金快速凝固坯体，结合单向前向挤压（FE）和双向挤压（前向+后向挤压，BE）工艺，通过显微组织表征和力学性能测试，证实双向挤压工艺可显著细化第二相颗粒（<0.1μm占比从45%提升至70%），并提高位错密度（BE达8.25×10^12 m^-2）。尽管BE合金析出相平均尺寸略大（4.64nm vs 4.33nm），其综合强化机制（位错强化贡献达135MPa）使屈服强度695.9MPa，延伸率13.77%，优于FE合金。

　　高锌含量的7xxx系列铝合金因其优异的强度和韧性，广泛应用于航空航天和交通运输领域。然而，在实际应用中，如何在保持高强度的同时提升合金的塑性，成为一个亟待解决的关键问题。本文通过结合喷雾成形快速凝固与双步挤压工艺（即单向挤压和双向挤压），成功实现了对Al-10Zn-2.3Mg-1.2Cu-0.15Zr-0.05Fe（wt.%）合金的微观结构优化，从而获得良好的强度-塑性平衡。通过系统研究喷雾成形铸锭在挤压和热处理过程中的微观结构演变，发现喷雾成形与双步挤压的协同作用显著改善了合金的力学性能。

喷雾成形是一种典型的快速凝固技术，其优势在于能够细化晶粒和第二相粒子，同时在不引起明显元素偏析的前提下提高合金的合金化程度。这不仅有助于提升合金的强度，还能增强其塑性。在本研究中，喷雾成形工艺用于制备铸锭，获得均匀且细小的微观结构。随后，通过单向挤压和双向挤压的组合工艺，进一步细化晶粒和第二相粒子，优化了合金的组织结构。与单向挤压合金相比，双向挤压合金表现出更均匀的第二相分布，其中小于0.1μm的细小粒子比例从45%提升至70%。此外，双步挤压过程显著提高了固溶处理后的位错密度，虽然导致了部分第二相粒子尺寸略微增大，但总体上仍能实现强度和塑性的良好平衡。

经过T6时效处理后，双向挤压合金展现出优异的力学性能。其屈服强度约为695.9±1.2 MPa，抗拉强度约为718.7±0.6 MPa，延伸率则达到13.77±1.2%。相比之下，单向挤压合金的屈服强度和抗拉强度分别达到717.8±1.0 MPa和733.6±1.0 MPa，但延伸率仅为12.13±0.9%。这一结果表明，双步挤压工艺虽然略微降低了时效后的强度，但显著提升了合金的塑性，使其在承受复杂载荷时表现出更好的延展性。

从微观结构分析来看，喷雾成形后的铸锭具有等轴细小的晶粒，平均晶粒尺寸为56±17μm，且在中心区域到边缘区域呈现出逐渐减小的趋势。同时，晶界处存在少量孔洞，这是喷雾成形过程中常见的缺陷。经过单向挤压后，晶粒进一步细化，且第二相粒子沿挤压方向分布密集。而双向挤压则进一步改善了第二相粒子的分布均匀性，显著减少了粗大粒子的存在，提高了合金的延展性。此外，双向挤压还促进了晶粒的再结晶，从而改善了材料的塑性表现。

在时效处理过程中，第二相粒子的形成对合金的强度和塑性有重要影响。研究表明，时效处理后，单向挤压合金中第二相粒子的平均尺寸为4.33nm，而双向挤压合金的平均尺寸则为4.64nm。虽然双向挤压合金的第二相粒子尺寸略大于单向挤压合金，但其较高的位错密度带来了更强的位错强化效应，弥补了第二相强化的不足。位错强化的贡献计算表明，双向挤压合金的位错密度比单向挤压合金高，因此其位错强化效应更显著。而第二相强化的贡献则因粒子尺寸较大而有所降低，约为52.5MPa，低于单向挤压合金的第二相强化贡献。

从断裂表面的形貌分析可以看出，两种合金均表现出延性断裂特征，包括大量的延性凹坑。然而，单向挤压合金中仍存在部分晶粒表现出准解理断裂，这可能是由于残留的粗大第二相粒子对位错运动的阻碍作用。而双向挤压合金则几乎不存在此类现象，其断裂表面完全由延性凹坑组成，说明其塑性表现更优。这进一步验证了双步挤压工艺在提升合金延展性方面的有效性。

在强化机制方面，本文从多个角度分析了不同工艺对合金力学性能的影响。喷雾成形和双步挤压工艺的协同作用不仅细化了晶粒和第二相粒子，还提高了位错密度，从而增强了位错强化效应。此外，晶界强化和第二相强化也在合金的性能提升中发挥了重要作用。通过Hall-Petch方程计算，晶界强化的贡献分别为37.2MPa和51.2MPa，而第二相强化的贡献则分别为523.2MPa和470.7MPa。尽管双向挤压合金的第二相强化贡献略低于单向挤压合金，但其位错强化的增强效果更为显著，从而实现了整体强度-塑性平衡的优化。

研究还发现，喷雾成形工艺在消除孔洞和改善微观结构方面具有明显优势。通过后续的热机械处理，如高比例的挤压工艺，可以有效消除喷雾成形过程中形成的微孔，提高合金的致密性。这不仅有助于提升合金的强度，还对塑性有积极影响。传统的铸造合金往往由于第二相粒子难以完全溶解，导致塑性较低。而喷雾成形与双步挤压的结合，使第二相粒子在固溶处理过程中能够更有效地溶解，从而减少了对塑性的不利影响。

本文的研究结果表明，喷雾成形与双步挤压的组合工艺是一种有效的手段，能够显著改善高锌含量7xxx系列铝合金的性能。与传统铸造合金相比，该工艺不仅提高了合金的强度和塑性，还避免了由于第二相粒子粗大而导致的脆性断裂问题。因此，该工艺具有广阔的应用前景，特别是在需要高强度和良好塑性的航空航天和交通运输领域。

总体而言，本文通过系统的实验研究和微观结构分析，揭示了喷雾成形与双步挤压工艺对高锌含量铝合金性能的优化作用。结果表明，双步挤压不仅提高了位错密度，增强了位错强化效应，还显著改善了第二相粒子的分布，从而提升了合金的延展性。这种工艺的结合，为实现高强度和良好塑性的铝合金提供了新的思路和方法，具有重要的工程应用价值。