具有高强度且保持延展性的高锌铝锌镁铜钪锆硼合金的实验性锌当量成分设计

《Materials Characterization》：Empirical Zn-equivalent composition design of a high-Zn Al-Zn-Mg-Cu-Sc-Zr-B alloy with high strength and retained ductility

　　•这种高锌含量的Al-Zn-Mg-Cu-Sc-Zr-B合金是在无需冷变形的情况下设计的。•一个经验性的锌当量指数用于指导高锌成分的选择。•时效处理会形成密度高的η'相沉淀物，其尺寸约为3.34纳米。•经过时效处理的合金具有665 MPa的极限抗拉强度和13.5%的延伸率。•密集的纳米级η'相沉淀物是实现人工时效强化效应的主要因素。

引言
Al-Zn-Mg-Cu 7xxx系列铝合金由于其较高的比强度、出色的热处理强化能力以及成熟的工业应用基础，长期以来一直被视为航空航天、高速交通和先进设备制造领域中最重要的结构铝合金体系[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。随着对轻质结构更高承载效率和可靠性要求的增加，传统7xxx系列铝合金在强度、延展性和加工适应性之间的权衡问题愈发突出[6]、[7]、[8]、[9]。尤其是在高负荷和复杂成型条件下，这些合金不仅需要更高的室温强度，还需要具备足够的延伸率、损伤容忍度和微观结构稳定性。因此，开发兼具高强度、良好延展性及稳定微观结构响应的Al-Zn-Mg-Cu合金仍是超高强度铝合金研究领域的核心课题[9]、[10]、[11]。

7xxx系列铝合金的高强度主要源于固溶处理后形成的过饱和固溶体，以及人工时效过程中析出的纳米级GP区、η'相和η-MgZn?相。在这些析出相中，η'相通常被认为是峰值时效状态下的主要强化相，其尺寸、数量密度、空间分布以及与基体的界面关系直接影响合金的屈服强度、极限抗拉强度和塑性稳定性[12]、[13]。锌和镁是形成η'/η-MgZn?相的主要元素，而铜则能进一步改变析出相的结构，加速时效反应并提升析出相的稳定性[14]、[15]。最近的原子尺度研究还表明，铜含量会显著影响早期时效过程中ZnMg团簇和Zn-Cu空位团簇的形成与聚并，从而改变Al-Zn-Mg合金的析出动力学和硬化行为[16]。从析出强化的角度来看，提高锌、镁和铜的含量可以增加可用于时效强化的溶质储备，为进一步提升强度奠定基础。

然而，较高的合金化程度并不一定意味着机械性能的改善。随着锌、镁和铜含量的增加，凝固过程中更容易出现严重的元素偏析和粗大的非平衡共晶相。在后续的均匀化处理和固溶处理中，这些第二相可能难以完全溶解，从而降低基体的实际过饱和度[17]、[18]、[19]。同时，残留的粗大相和连续的晶界析出物会成为裂纹萌生和扩展的优先位置，显著降低合金的延展性和损伤容忍度[20]、[21]。此外，较高的合金化程度还可能增加热变形的难度，缩小热加工窗口，增加轧制裂纹和微观结构不均匀性的风险。因此，对于高强度Al-Zn-Mg-Cu合金而言，关键并非单纯提高总合金化程度，而是要在高溶质储存能力、溶解度、热加工性能以及最终的强度-延展性之间找到合理的平衡。

为了解决这一问题，以往的研究主要集中在成分比例调整、热处理优化以及微合金化方面。例如，通过调节锌/镁和镁/铜的比例，可以改变主要的析出相类型、析出动力学以及晶界析出行为[22]、[23]。多步时效处理、逆时效处理以及预变形时效处理则可以进一步优化析出相的尺寸、密度和分布[24]、[25]。最近的研究还表明，通过电脉冲辅助时效处理来协调控制晶内析出相和晶界析出相，有助于改善合金的力学性能和耐腐蚀性能之间的平衡[26]。同时，构建空间上呈异质性的软/硬区域，也可以改变Al-Zn-Mg-Cu合金的局部析出行为和变形响应[27]。这些研究结果不仅体现了最终性能对加工诱导的析出异质性的高度敏感性，也表明了为实现强度与性能的协同提升，加工工艺的复杂性也在不断增加。少量添加锆、钪、铒、铬和锰可以形成弥散相，有助于细化晶粒、抑制再结晶并提升热稳定性[28]、[29]。这些方法在提升7xxx系列铝合金的性能方面发挥了重要作用，但很多方法仍然依赖于经验性的成分范围以及后续的工艺补偿。尤其是对于那些锌、镁或铜含量较高的合金，仍需要更明确的成分约束和微观结构控制原则，以便在提升析出强化效果的同时，避免严重的凝固偏析、残留的粗大第二相以及加工延展性的下降。

从成分设计的角度来看，锌、镁和铜共同影响着Al–Zn–Mg–Cu合金的析出行为、凝固特性以及热加工性能。提高这三种元素的名义含量可以增强合金的时效强化潜力，但也可能引发枝晶间偏析、粗大组分形成以及加工不稳定性[30]、[31]。在我们之前的研究中[32]，我们引入了一个经验性的锌当量成分指数，用以将镁和铜的添加量用统一的锌参考尺度来表示。这一指数为在考虑合金化程度与加工性能之间平衡的前提下，选择合适的锌、镁和铜含量提供了便利。

在之前设计策略的基础上，本研究将溶度度当量方法进一步应用于高锌含量的Al-Zn-Mg-Cu合金，并设计出了Al-Zn-Mg-Cu-Sc-Zr-B合金。与那些依赖冷变形、预变形时效或复杂多步时效处理来提升强度的工艺不同，这种合金是通过常规的铸造、均匀化处理、热轧、固溶处理和人工时效处理来制造的，从而在无需依赖冷变形强化的情况下实现了高强度与良好延展性的良好结合。钛和硼是通过Al-5Ti-1B母合金加入的，旨在促进凝固过程中α-Al的异质形核；而钪和锆的添加则有助于形成热稳定的Al?(Sc,Zr)弥散相，提升后续热机械加工过程中的微观结构稳定性。在本研究中，我们结合微观结构分析、析出物分析、拉伸试验以及数字图像相关技术，系统研究了这种高锌合金的微观结构演变、基体稳定性、应变分布行为以及强化机制。研究的重点在于阐明高锌含量的Al-Zn-Mg-Cu合金是如何通过相对简单的热机械处理途径实现高强度与良好延展性的，尤其关注纳米级η'相析出、保留的晶粒/亚晶结构、晶界析出物的形态以及拉伸变形过程中的渐进式应变重分布现象。

材料与方法
合金的成分及加工流程如图1所示。锌、镁和铜的名义含量是通过我们之前研究[32]中提出的经验性锌当量成分指数来确定的：CeqZn=CZn+SZnSMgCMg+SZnSCuCCu，其中Ci为元素i的名义体积含量，wMg和wCu则是用于将镁和铜的添加量用统一的锌参考尺度来表示的经验性权重系数。在本指数中，wMg=32.4/15.9，wCu=32.4/5.65。

微观结构演变
图2展示了该合金在铸态和均匀化处理后的扫描电子显微镜图像及能谱分析结果。如图2(a)所示，铸态合金呈现出典型的树枝状凝固组织。在枝晶间区域分布着不连续的网状组分，这表明在非平衡凝固过程中发生了溶质偏析。在基体中还可以观察到一些亮色颗粒，这些颗粒由黄色箭头标出。根据能谱分析结果，这些亮色颗粒……

合金设计与微观结构演变
我们利用经验性的锌当量成分指数，在考虑铸造及后续热加工要求的前提下，选择了高锌含量的Al–Zn–Mg–Cu成分。虽然提高锌、镁和铜的名义含量可以增强合金的时效强化潜力，但也会增加非平衡凝固、枝晶间偏析以及粗大组分形成的趋势。因此，约30重量%的锌当量值被用作该合金的名义成分参数。

结论
通过基于溶度度的锌当量策略，我们设计出了一种高溶质含量的Al–18Zn–3.31Mg–1.08Cu–0.30Sc–0.10Zr–0.10Ti-0.02B合金，该合金是通过常规的铸锭冶金工艺结合热机械处理制成的。主要结论如下：
(1) 经验性的锌当量指数帮助我们选择了适合通过常规铸造、均匀化处理和热轧工艺加工的高名义溶质含量成分。均匀化处理显著降低了锌–镁–铜富集区的连续性……

作者贡献声明
贾乐：撰写——初稿、监督、正式分析、概念构思。黄培照：可视化、软件应用、方法设计。马宝霞：监督、资金获取、正式分析。王磊：验证、项目管理、正式分析。徐在东：可视化、资源协调、方法设计。赵思聪：监督、项目管理、研究实施。冯一成：撰写——审阅与编辑、监督、方法设计、资金获取。

利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究成果的已知财务利益或个人关系。

致谢
作者衷心感谢中国黑龙江省重点研发计划（编号2022ZX04A02）提供的财政支持。

贾乐|黄培照|马宝霞|王磊|徐在东|赵思聪|冯一成