《Materials Science and Engineering: A》：Synergistic enhancement of strength and ductility in 2024Al alloy via deliberate integration of grain refinement and precipitate strengthening
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李明熙|苏志豪|刘亚飞|彭新源|李国东|刘少远|卢莉|刘茂文|卢媛媛|马超丽|天山圭|郑瑞晓北京航空航天大学材料科学与工程学院，中国北京100191摘要通过粉末冶金方法（包括火花等离子烧结和低温热挤压）制备了具有异质层状结构的超细晶粒（UFG）2024铝合金。随后的短时固溶处理（
李明熙|苏志豪|刘亚飞|彭新源|李国东|刘少远|卢莉|刘茂文|卢媛媛|马超丽|天山圭|郑瑞晓
北京航空航天大学材料科学与工程学院，中国北京100191
摘要
通过粉末冶金方法（包括火花等离子烧结和低温热挤压）制备了具有异质层状结构的超细晶粒（UFG）2024铝合金。随后的短时固溶处理（495°C/25分钟）和时效处理（150°C/10小时）不仅保持了超细晶粒结构，还形成了致密的纳米级α-AlMnSi沉淀物，从而显著提升了材料的机械性能，具体表现为：屈服强度为391 MPa，抗拉强度为522 MPa，均匀伸长率为12.7%。这种强度和延展性的协同提升源于纳米级α-AlMnSi沉淀物的强化作用、超细晶粒界的强化效应以及MgO颗粒在晶界处的钉扎作用。本研究展示了通过优化加工和热处理来实现铝合金优异性能的有效途径，为高性能铝合金在多种工业应用中的开发提供了宝贵见解。
引言
在航空航天和汽车领域，如何在保持足够延展性的同时实现优异的强度-重量比是一个长期存在的挑战。2024Al合金作为一种典型的可热处理铝合金，其机械性能主要来源于纳米级S（Al?CuMg）相及其前驱体（Guinier-Preston-Bagaryatsky区、S″相和S′相）的沉淀强化[1,2]。尽管传统的热机械加工已经提升了这些合金的性能，但要进一步改善其性能，需要多种强化机制的协同作用，特别是晶界强化（通过细化晶粒）和沉淀强化（通过Orowan机制）[3],[4],[5],[6]的结合。
严重的塑性变形（SPD）技术被广泛用于制备超细晶粒（UFG）2024Al合金[7]。例如，Mao等人[8]报告称，等通道角压（ECAP）显著细化了2024Al的晶粒并提高了其强度，而Alhamidi等人[9]通过高压扭转（HPT）获得了平均晶粒尺寸约为240纳米的结果。尽管这些SPD技术实现了显著的强化效果，但这些材料本质上存在强度-延展性的权衡。SPD处理后的合金中位错密度饱和限制了其应变强化能力，导致早期应变局部化和过早的颈缩[10,11]。更为关键的是，对于可热处理合金而言，SPD处理后的微观结构中储存的高能量使其在热力学上不稳定。峰值时效处理所需的高温不可避免地引发了材料的回复和晶粒粗化，从而削弱了位错强化和Hall-Petch效应[12,13]。因此，在SPD处理的2024Al合金中，同时实现晶界强化和沉淀强化的最大化仍是一个巨大的挑战。
作为基于变形的加工方法的替代方案，“自下而上”的粉末冶金（PM）策略，采用火花等离子烧结（SPS）等固化技术，可以将细粉体制成块状材料。虽然通过SPS制备的超细晶粒铝合金已显示出较高的强度[14,15]——例如，一种150纳米晶粒的Al-Zn-Mg合金的屈服强度达到了610 MPa[14]——但这些结果通常仅限于压缩载荷条件，拉伸延展性仍然是一个瓶颈。根本问题在于致密化与微观结构控制之间的热需求冲突。完全致密化通常需要足够高的温度或较长的保温时间，这不可避免地会导致强化沉淀物（如Al?Cu或Al?CuMg）的粗化和晶粒显著生长[16,17]。因此，在加工高性能2024Al合金时，如何在保持超细晶粒的同时满足沉淀时效所需的热条件是一个关键挑战。
为了解决这一挑战，我们提出了一种策略：使用平均粒径约为1微米的超细2024Al粉末，通过SPS固化后进行热挤压，从而制备出具有优异热稳定性的块状合金。大多数超细粉末颗粒为单晶，每个颗粒主要构成一个晶粒。在固化过程中，铝粉表面原有的氧化膜以及分离的溶质原子（尤其是Mg）被限制在晶界处，形成了MgO[18]，导致基体中Mg的显著耗尽。这些分散的氧化物提供了有效的Zener钉扎作用，显著阻碍了烧结和热挤压过程中的晶界迁移。由此产生的Mg耗尽抑制了后续时效过程中常规S（Al?CuMg）沉淀物的形成，反而促进了大量纳米级α-AlMnSi分散体的形成，这些分散体通过Orowan机制增强了合金的强度。这种独特的结构即使在高温下也能保持超细晶粒结构，有效创建了一个允许后续时效处理的“加工窗口”。因此，可以在不引起晶粒粗化的情况下将致密的纳米沉淀物引入基体中。这项工作表明，利用具有热稳定钉扎作用的超细粉末网络进行固化，为制备高性能超细晶粒可热处理铝合金提供了一条可行的途径。
章节摘录
材料与样品制备
本研究中使用的2024Al合金粉末由上海祥天纳米材料有限公司（中国）提供，并通过真空感应气体雾化法制备。粉末的形貌和粒径分布如图1所示。初始的2024Al粉末由细小的球形颗粒和相对粗大的滴状颗粒组成，平均粒径为1.4微米。表1展示了通过电感耦合等离子光发射法测得的合金化学成分
结果
图3展示了烧结后的样品微观结构。图3a中的红色箭头指示了大量分散在微观结构中的孔隙，表明单步低温SPS处理过程中固化不够充分。此外，图3b中的XRD分析识别出许多白色颗粒相为Al?Cu[20]，这些颗粒是在烧结过程中形成的。图3c中的EBSD逆极图（IPF）显示了样品的微观结构
强化机制
2024铝合金的优异强度归因于多种强化机制的综合作用，包括固溶强化、晶界强化、次级相的沉淀强化以及位错强化。然而，实验证据表明固溶强化对整体强度提升的贡献较小[39,40]，因此在强度计算中通常被忽略。
结论
本研究系统探讨了挤压和后续短时热处理对2024铝合金机械性能的影响，总结如下：
CRediT作者贡献声明
李明熙：撰写——初稿，可视化。苏志豪：验证，软件开发，数据管理。刘亚飞：资源获取，实验研究。彭新源：资源协调。李国东：撰写——审稿与编辑，监督，资金申请，概念构思。刘少远：监督，概念构思。卢莉：方法论设计。刘茂文：数据分析。卢媛媛：方法论设计。马超丽：撰写——审稿与编辑。郑瑞晓：撰写——审稿与编辑，
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
作者感谢以下机构的财务支持：国家自然科学基金（项目编号：92360303、52401030、52422101）、浙江省重点研发计划（项目编号：2024SSYS0078）、浙江省自然科学基金（项目编号：LD24E010005）以及中央高校基本科研业务费。
