稀土辅助硼处理原料对AA1060合金的影响：实现导电率与力学性能的协同优化

《Journal of Materials Research and Technology》：Effect of rare-earth-assisted boron treatment raw materials on the properties of AA1060: Achieving synergistic optimization of electrical conductivity and mechanical properties

　　

本研究采用经稀土辅助硼处理（RABT，添加Ce或Er）的商用纯AA1070配制AA1060合金。系统研究了铸态与轧制退火态下的显微组织、宏观性能及内在机制。RABT通过优先形成CeB₆/ErB₄，打破传统处理典型的致密核壳结构，实现过渡金属（TMs）的深度去除并提升本征导电率。同时，细化且保留的硼化物颗粒为后续配制的AA1060合金提供潜在的无污染异质形核核心。由此成功实现力学性能与导电性能的协同优化。在铸态下，得益于继承的CeB₆/ErB₄颗粒较小的晶格错配及更细小的(TMs)B₂提供的丰富形核位点，在不引入额外溶质散射的情况下触发了显著的晶粒细化。RABT-Er表现最佳，抗拉强度达75.3 MPa，延伸率达47.0%，导电率高达60.11% IACS。RABT-Ce呈现类似的优化趋势。在轧制退火态下，RABT合金获得显著更高的再结晶程度，确保优异的延展性。同时，均匀分散的硼化物颗粒的钉扎效应有效保留了高密度残余位错。这种保留的位错强化与继承的细晶强化共同在一定程度上补偿了再结晶引起的软化。最终，在维持约100 MPa的有竞争力屈服强度的同时，RABT-Er实现25.5%的优异延伸率和59.32% IACS的导电率。

研究背景方面，AA1060因优异的导电性和成形性成为先进电力传输与新能源装备领域的关键导电结构材料。高端应用场景对材料提出双重需求：无论作为直接服役的铸态构件（如新能源汽车高速电机铸铝转子）还是需进一步轧制成形的产品（如动力电池超薄铝箔和柔性母线），均须保持高导电率以减少发热和能耗，同时具备优异力学性能以承受离心力和装配应力并防止超薄轧制断带。然而铝合金中导电率与力学性能通常存在权衡关系。根据Matthiessen定则，溶质原子、位错、晶界和第二相等晶体缺陷均加剧电子散射从而降低导电率。传统强化策略如固溶强化、析出强化和加工硬化虽能有效提升强度，却往往以严重牺牲导电率为代价。晶界对电子的散射效应远弱于溶质原子，因此若能在不引入额外溶质原子的前提下获得细晶组织，有望协同提升强度与塑性而不严重牺牲导电率。目前工业晶粒细化主要依赖外加晶粒细化剂，但以广泛使用的Al-Ti-B系细化剂为例，其不可避免向熔体引入过渡金属（TMs，包括Ti、V、Zr、Cr等），TMs强烈散射电子并严重恶化本征导电率。Fan等指出商用Al-5Ti-1B中间合金含有超出TiB₂化学计量比2.8 wt.%的过量Ti，这对有效晶粒细化至关重要，但过量Ti不可避免损害电学性能。Xu等使用0.2% Al-5Ti-1B中间合金细化1070铝，成功将平均晶粒尺寸从3000 μm降至286 μm，但导电率因过量Ti溶质从61.51% IACS降至60.52% IACS。这一困境凸显了传统方法的根本局限。为突破此瓶颈，研究人员提出替代策略：不添加外源性细化剂，而是启动净化过程以提升导电率，并巧妙利用其无害副产物细化晶粒。硼处理为此替代范式提供了极具前景的基础，通过添加Al-B中间合金，B与TM杂质反应形成不溶性硼化物沉出熔体从而提升导电率。然而传统硼处理（TBT）存在关键局限：新形成的(TMs)B₂包裹现有AlB₂颗粒形成致密核壳结构，阻止B的进一步释放并严重限制TM去除效率。此外以往研究主要着眼于净化熔体，很大程度上忽视了残余硼化物颗粒作为异质形核位点的潜力。研究人员前期研究表明，在传统硼处理基础上，于引入Al-B中间合金之前添加微量稀土（RE）元素（Ce或Er）可实现稀土辅助硼处理（RABT）。由于Ce/Er与B反应的吉布斯自由能显著低于TMs与B的反应，RE元素优先与B反应生成CeB₆（立方结构）或ErB₄（四方结构），在AlB₂（六方结构）表面形成疏松不连续的包覆，从而保留B原子的扩散通道。同时第一性原理计算表明TMs原子在CeB₆/ErB₄表面的吸附能显著低于在AlB₂表面，这一热力学驱动力促使TMs反应位点从AlB₂表面转移至REB₆/REB₄表面，从根本上避免核壳结构形成并实现高效深度去除TMs。基于上述思路，本研究以四种状态的商用纯AA1070（未处理UT、TBT、RABT-Ce和RABT-Er）为原料配制相同成分的AA1060，系统研究不同原料状态对铸态和轧制退火态合金显微组织与性能的影响，旨在为包括AA1060在内的高导电、高强度、高塑性铝合金制备提供新见解和理论依据。研究得出结论：RABT工艺相比UT和TBT状态实现显著更高的TM去除率和导电率，内部(TMs)B₂颗粒显著更细且独特生成并保留稀土硼化物CeB₆/ErB₄；铸态RABT-AA1060合金实现电学与力学性能协同优化，RABT-Ce合金抗拉强度73.6 MPa、延伸率40.0%、导电率60.13% IACS，RABT-Er合金抗拉强度75.3 MPa、延伸率47.0%、导电率60.11% IACS；轧制退火态RABT合金获得显著更高再结晶程度确保优异延展性，同时硼化物颗粒钉扎效应有效保留高密度残余位错，在维持超过100 MPa屈服强度的同时，RABT-Ce延伸率22.5%、导电率59.52% IACS，RABT-Er延伸率25.5%、导电率59.32% IACS。该研究的重要意义在于成功打破了铝合金中力学性能与导电率之间的传统权衡，实现了两者的协同优化，为高导电高强高塑铝合金的制备提供了新范式。

关键技术方法方面，研究人员以商用纯AA1070为初始基体材料，经TBT和RABT处理，所需B、Ce、Er分别通过商用Al-3B、Al-10Ce和Al-10Er中间合金引入，必要Fe和Si通过添加商用Al-20Fe和Al-20Si中间合金补充。采用涡流导电仪和直读光谱仪测量导电率和化学成分，偏光显微镜观察晶粒和枝晶分布，X射线衍射仪分析宏观织构，扫描电子显微镜及能谱仪观察第二相形貌分布和微区成分，电子背散射衍射获取取向信息，透射电子显微镜和高分辨透射电子显微镜进行更深尺度表征（TEM薄 foil试样通过聚焦离子束技术制备），维氏硬度计和万能试验机评估力学性能。

研究结果方面，3.1节初始AA1070基体的成分与显微组织特征：通过化学成分和导电率测定得出RABT工艺实现更高的TM去除率（RABT-Ce总去除率77.81%、RABT-Er达79.60%，高于TBT的57.05%），导电率提升至62.65%和62.63% IACS；通过SEM/EDS分析揭示TBT后(TMs)B₂包裹AlB₂形成致密核壳结构，而RABT后(TMs)B₂优先附着于CeB₆/ErB₄颗粒避免核壳结构；通过ImageJ定量统计得出RABT后(TMs)B₂尺寸显著减小（RABT-Er最细仅0.26±0.10 μm²），ErB₄（0.34±0.12 μm²）比CeB₆（3.52±2.01 μm²）更细且数量更多。3.2节铸态AA1060的力学与电学性能：通过拉伸测试和导电率测定得出四种状态强度与塑性顺序均为RABT-Er > RABT-Ce > TBT > UT，RABT-Er抗拉强度75.3 MPa、延伸率47.0%、导电率60.11% IACS，成功打破传统权衡。3.3节铸态AA1060的显微组织分析：通过偏光显微镜和定量统计得出晶粒尺寸顺序为UT（0.86 mm）> TBT（0.57 mm）> RABT-Ce（0.49 mm）> RABT-Er（0.37 mm），与力学性能变化一致，证实晶粒细化是铸态强度提升的主要贡献者；二次枝晶臂间距呈相反趋势（UT 0.052 mm增至RABT-Er 0.141 mm），Al-Fe相由窄条状转变为聚集网络状分布，有利于塑性变形协调。3.4节硼化物/α-Al界面的TEM/HRTEM表征与晶格错配分析：通过SAED和EDS确认各硼化物相结构，通过HRTEM测量界面晶面间距并计算实际晶格错配，得出错配度顺序为CeB₆（2.32%）< ErB₄（5.99%）< (TMs)B₂（24.36%）< AlB₂（39.61%）；虽CeB₆错配度更低但RABT-Ce晶粒（0.49 mm）略大于RABT-Er（0.37 mm），表明最终细化效率由热力学匹配与动力学位点密度共同决定，ErB₄数量更多且更细更均匀分散补偿了略高的热力学错配。3.5节轧制退火态AA1060的力学与电学性能：通过硬度演变确定260 °C/40 min为优化退火工艺，通过拉伸测试和导电率测定得出四种状态屈服强度均维持在约100 MPa（差异小于4%），延伸率UT仅12.0%、TBT 19.4%、RABT-Ce 22.5%、RABT-Er 25.5%，导电率UT 56.91%、TBT 58.60%、RABT-Ce 59.52%、RABT-Er 59.32% IACS，实现轧制退火态协同优化。3.6节轧制退火态AA1060的再结晶与织构分析：通过EBSD和XRD分析得出RABT-Er再结晶分数最高达37.6%、变形晶粒仅4.6%，再结晶晶粒最分散且最细；GND分布图显示RABT态虽再结晶程度高但保留高位错密度，密集分布于细再结晶晶粒和回复亚晶界周围；织构分析表明RABT使变形织构（Copper和S）显著消耗、再结晶织构（Cube和Goss）显著增强，与EBSD高再结晶分数一致。3.7节力学与电学性能的定性与定量分析：通过Hall-Petch关系和Taylor方程定量计算得出铸态细晶强化增量分别为TBT 0.51 MPa、RABT-Ce 0.72 MPa、RABT-Er 1.16 MPa；轧制退火态位错强化理论值RABT-Ce（147.4 MPa）> RABT-Er（144.7 MPa）> TBT（127.2 MPa）> UT（122.3 MPa），与显微组织观察一致；通过Matthiessen定则分析得出RABT深度去除TM大幅降低溶质散射贡献ρ_s，完全抵消晶界和位错散射的微小增加，实现高导电率。

讨论部分总结：本研究以经RABT改性的商用纯AA1070为原料配制AA1060，系统研究铸态和轧制退火态的显微组织与性能。关于初始AA1070原料，RABT工艺相比UT和TBT实现显著更高的TM去除率和导电率，内部(TMs)B₂颗粒显著更细且独特生成并保留稀土硼化物CeB₆/ErB₄，这些细化残余颗粒为后续AA1060合金提供潜在异质形核核心。关于铸态AA1060合金，实现电学与力学性能协同优化，在RABT-AA1060合金中得益于继承的CeB₆/ErB₄颗粒较小的晶格错配及更细(TMs)B₂提供的丰富形核位点，在不引入额外溶质散射的情况下触发晶粒细化；铸态RABT-Ce合金抗拉强度73.6 MPa、延伸率40.0%、导电率60.13% IACS，RABT-Er合金抗拉强度75.3 MPa、延伸率47.0%、导电率60.11% IACS。关于轧制退火态AA1060合金，RABT合金获得显著更高再结晶程度确保优异延展性，同时硼化物颗粒钉扎效应有效保留高密度残余位错，这种保留的位错强化在一定程度上补偿再结晶引起的软化；最终在维持超过100 MPa有竞争力屈服强度的同时，RABT-Ce延伸率22.5%、导电率59.52% IACS，RABT-Er延伸率25.5%、导电率59.32% IACS。