通过不同的USRP方法在7075铝合金中定制梯度纳米结构：同时提升机械性能和耐腐蚀性

《Surface and Coatings Technology》：Tailoring gradient nanostructures in 7075 aluminum alloy via distinct USRP routes: Simultaneous enhancement of mechanical properties and corrosion resistance

7075铝合金通过两种超声表面滚压处理（USRP）路线获得梯度纳米结构，显著提升强度和抗腐蚀性。研究表明，直接USRP处理T6态合金（T6-USRP）因预存析出相促进位错增殖但伴随析出重溶，导致纳米层较薄，屈服强度提高19MPa；而T4态经USRP后低温时效（T4-USRP-aging）通过协同位错、析出相和晶界强化，强度提升达70MPa。两种处理均形成表面等轴纳米层、亚表面层状纳米层和基体粗大变形层的三层结构，并有效抑制晶间腐蚀和点蚀，其机理与析出相动态演变、晶粒梯度分布及变形层抑制腐蚀相关。

　　

田玉秋|杨明|梁宇|雷蕾|江云|赵飞

贵州大学材料与冶金学院，贵阳，550025，中国

摘要

高强度7xxx系列铝合金的强度-腐蚀权衡一直是其广泛应用的关键障碍。为了解决这一挑战，本研究介绍了两种定制的超声表面滚压处理（USRP）方法，用于在7075铝合金中设计梯度纳米结构。第一种方法是对经过峰值时效处理的T6试样直接进行USRP处理（称为T6-USRP）。相比之下，第二种方法首先对固溶体T4试样进行USRP处理，然后进行低温时效（T4-USRP-时效）。这两种方法都产生了由表面等轴纳米晶层、次表面层状纳米晶层和近基体粗晶变形层组成的梯度结构。虽然T6状态下的现有沉淀物促进了位错增殖，但在USRP过程中它们也发生了应变诱导的再溶解，消耗了额外的变形能量，导致T6-USRP的纳米晶层比T4-USRP-时效的更薄。因此，T6-USRP和T4-USRP-时效试样的屈服强度分别比T6试样提高了19 MPa和70 MPa。定量分析表明，沉淀物再溶解减少了T6-USRP的沉淀强化效应，而T4-USRP-时效则受益于位错、沉淀物和晶界强化的协同作用。在3.5 wt% NaCl溶液中的电化学和浸泡测试证实，这两种梯度结构都提高了耐腐蚀性。腐蚀模式从晶间腐蚀转变为点蚀，同时点蚀密度和深度显著降低。微观结构表征显示，优化后的性能，尤其是在T4-USRP-时效试样中，归因于细晶内部沉淀物的高密度、晶界沉淀物的不连续分布以及无沉淀物区域的消除。这项工作表明，通过设计的USRP处理路径来定制梯度纳米结构，为打破高强度铝合金的传统强度-腐蚀二分法提供了有效途径。

引言

7xxx系列铝合金是最有吸引力的结构材料之一，由于其高强重比、良好的成形性和高韧性，被广泛用于航空航天、运输和海洋应用[1]、[2]、[3]。作为典型的沉淀强化合金，其高强度主要通过沉淀硬化实现，在此过程中，从过饱和固溶体中形成细小分散的相干和半相干亚稳态沉淀物，有效阻碍了位错运动。因此，大量研究集中在优化合金成分和时效处理上，以调整这些沉淀物特性，从而提高机械性能[4]、[5]。

近年来，严重的塑性变形（SPD）作为一种强大的补充策略出现，通过将晶粒细化到纳米级别来增强金属材料，从而增加内部界面的密度[6]、[7]、[8]、[9]。然而，均匀纳米晶材料的一个主要缺点是它们的延展性通常有限，这是由于超细晶粒内的位错活动受到限制。为了克服纳米材料中的强度-延展性权衡瓶颈，人们使用各种表面SPD技术开发了梯度纳米结构（GNS），如喷丸[10]、表面机械磨损处理[11]、[12]、表面机械研磨处理[13]、[14]和超声表面滚压工艺（USRP）[15]、[16]。这些结构具有高强度的纳米晶表面层和高延展性的粗晶内部，为同时提高强度和延展性提供了有希望的途径。尽管取得了这些进展，7xxx系列铝合金仍然面临一个关键且持久的挑战，即它们固有的强度-腐蚀困境。虽然经过峰值时效处理的（T6）7xxx系列铝合金表现出高强度，但它们容易受到局部腐蚀，如点蚀、晶间腐蚀（IGC）和应力腐蚀开裂（SCC）[17]。尽管过时效或退火和再时效处理可以提高7xxx系列铝合金的耐腐蚀性，但这种改进通常是以牺牲抗拉强度为代价的[18]、[19]。这不可避免地影响了腐蚀环境中的组件可靠性和使用寿命。7xxx系列铝合金的耐腐蚀性与沉淀物的大小、分布和其他特性密切相关[20]、[21]。特别是，不连续的晶界沉淀物（GBPs）已知可以抑制晶间腐蚀和应力腐蚀开裂[22]。

当对T6处理过的合金施加SPD以诱导表面纳米结晶化时，所得到的微观结构演变不仅限于晶粒细化。塑性变形还可以触发复杂的沉淀物转变，包括再溶解、再沉淀和重新分布[23]、[24]，这不可避免地影响机械和腐蚀性能。然而，大多数现有研究要么仅考察了机械增强，要么仅考察了腐蚀保护，而没有系统地关联梯度纳米结构和沉淀物的同时演变与综合性能。具体来说，虽然USRP已被用于提高7xxx铝合金的性能，但这些研究主要集中在单一初始状态的微观结构演变上。直接对峰值时效处理的T6试样进行USRP与对固溶体T4试样进行USRP处理后再时效所获得的梯度纳米结构之间的系统比较，以及它们对机械和腐蚀性能的协同效应，仍需进一步探索。此外，尽管一些研究将SPD与T4处理后的后续时效相结合，但加速的沉淀动力学可能会将亚稳态纳米沉淀物转化为稳定的非相干相，从而可能恶化纳米晶区域内的沉淀强化效应[25]、[26]、[27]、[28]。因此，在纳米结构铝合金中实现精确的微观结构控制，以同时获得优异的机械性能和耐腐蚀性，仍然是一个重要的科学挑战。

为了解决这一差距，本研究设计了两种不同的表面纳米结晶化方法，在7075铝合金中构建梯度纳米结构。第一种方法是对峰值时效处理的T6试样直接进行USRP（T6-USRP）。第二种方法首先对固溶体T4试样进行USRP处理，然后进行可控的低温峰值时效处理（T4-USRP-时效）。通过这两种不同的处理方法，使用激光共聚焦显微镜和光学显微镜（OM）分析了USRP后两种初始微观结构的表面粗糙度和变形层形态的变化。同时，通过TEM/HRTEM表征了不同深度的晶粒形态、位错结构和沉淀物特性。此外，通过拉伸试验、电化学实验和浸泡试验评估了两种不同处理方法产生的梯度结构的机械性能和耐腐蚀性。通过结合详细的微观结构分析，本研究揭示了沉淀物演变如何通过不同的处理途径影响高强度7xxx铝合金的机械性能和耐腐蚀性的微观机制。这些发现为USRP在沉淀强化合金中的应用提供了理论基础和数据支持。

材料与试样制备

本研究使用了商业轧制的7075铝合金棒（直径：40 mm），其化学成分列在表1中。

所有试样首先在480°C下进行4小时的固溶体处理，然后水淬至室温；经过固溶体处理的试样称为T4试样。其中一部分T4试样随后在120°C下进行24小时的峰值时效处理，称为T6试样。

USRP对表面微观结构的影响

图2(a-b)分别显示了T6-USRP和T4-USRP试样的横截面OM图像。经过USRP处理的试样表面在剪切应力和超声冲击振动的共同作用下显示出明显的塑性变形。晶粒沿剪切方向逐渐旋转和伸长，在近表面区域形成了连续的梯度变形层。测量表明，由晶粒变形引起的剪切角度是可比的

初始微观结构对梯度纳米结构和强化机制的影响

TEM表征显示，USRP处理在T4和T6处理的7075铝合金中都产生了梯度纳米结构，从表面向内部可以分为三个不同的层：等轴纳米晶层、层状纳米晶层和粗晶变形层。由于铝合金具有较高的堆垛故障能，塑性变形主要通过位错滑移发生[53]。因此，这些不同层的形成

结论

对于初始晶粒尺寸相似且经过相同USRP处理的T4和T6条件下的7075铝合金，T6合金中现有的沉淀物促进了位错增殖并加速了微观结构的细化，从而形成了更细的表面纳米晶层。然而，这些沉淀物的位错剪切也会引起应变诱导的溶解，消耗了额外的变形能量。因此，纳米晶层的整体厚度

CRediT作者贡献声明

田玉秋：研究。 杨明：资金获取、概念构思。 梁宇：项目管理。 雷蕾：写作 – 审稿与编辑。 江云：方法学。 赵飞：监督。

利益冲突声明

本手稿的提交不存在利益冲突，所有作者均同意发表。我代表我的合作者声明，所描述的工作是原创研究，尚未在其他地方以全部或部分形式发表。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：52464049）和贵州省自然科学基金（项目编号：ZK[2024]075）、贵州省科技成果转化计划（项目编号：LH[2024]Major021）、贵州省科技项目（项目编号：[2026]013和[2026]002）、中国博士后科学基金（2025M780047）、湖北省教育厅基金会的财政支持