溶质梯度与多尺度析出耦合调控提升Al-Zn-Mg-Cu-Fe合金强塑协同效应

本文系统研究了异质结构Al-Zn-Mg-Cu-Fe合金在等温时效（IA）与非等温时效（NIA）处理下的析出行为与力学性能演变。研究发现，通过溶质梯度分布与多尺度析出相（包括晶内GP区、η′相、η相及晶界不连续η相）的协同调控，可显著缩短峰值时效时间，同步提升合金强度与塑性，并为高性能汽车轻量化材料的设计提供新策略。

　　

Highlight

本研究通过创新性短流程热机械处理（SRTP）构建了具有溶质梯度分布的异质结构Al-Zn-Mg-Cu-Fe合金，并系统对比了等温时效（IA）与非等温时效（NIA）对其析出特性与力学性能的影响。

Experimental

实验采用成分为Al-5Zn-1.5Mg-1.5Cu-0.3Fe-0.1Mn-0.1Ti（重量百分比）的合金。与传统汽车铝板工艺不同，本研究省略了热轧前的长时均匀化处理，直接对铸锭进行热轧后结合短时热处理，开发出新型短流程热机械处理（SRTP）技术，成功制备出具有异质结构的合金板材。

Initial microstructural characteristics

图2展示了预时效状态下合金的显微硬度分布矩阵与EBSD显微结构。新型热机械处理使铸态晶界溶质偏聚和可溶初生相得以保留，后续短时热处理促使这些相溶解，并形成从初始高溶质区向低溶质区扩散的梯度分布，最终形成软硬区域交替的异质结构。

Effect of IA/NIA treatment and heterostructure on precipitation behavior

普遍认为Al-Zn-Mg-Cu合金的析出序列为：过饱和固溶体（SSSS）→GP区（GPI与GPII）→η′亚稳相（4种变体）→η平衡相（11种类型）。另有研究表明T′相为主要强化析出相，序列为：SSSS→GP区→T′相→T相。固溶处理后，溶质原子的分布与浓度对析出动力学具有决定性影响。异质结构中高溶质区域富含更多铁富集相，为析出提供额外形核位点，而低溶质区域则延缓析出长大，最终形成多尺度析出相协同强化的独特微观结构。

Conclusions

本研究主要结论如下：

（1）等温时效下，SRTP-0与SRTP-5合金的峰值时效时间分别为15小时与17小时，而非等温时效（H185与C170工艺）仅需7.5小时与8小时。非等温峰值时效合金展现出更优的强度-塑性匹配；

（2）异质结构通过梯度溶质分布调控析出相的空间分布与尺寸分布，晶内形成多尺度析出相（GP区、η′相、η相），晶界形成不连续η相链并显著抑制无析出带（PFZ）形成；

（3）非等温时效通过动态温度场改变溶质原子扩散系数、形核驱动力与能垒，竞争性调控亚稳相演变，实现高强度与高塑性的协同提升。