通过低温锻造调控6061铝合金晶粒与第二相颗粒以改善单点金刚石车削表面质量

《Materials & Design》：Tailoring grain and second-phase particles in 6061 aluminum alloy via cryogenic forging to improve surface quality in single-point diamond turning

　　

研究人员通过固溶预处理使6061铝合金在低温多向锻造（cryogenic multi-directional forging）中因抑制动态回复而储存更多位错；储存的变形能于热处理时促进静态再结晶（static recrystallization），生成细小等轴晶。低温锻造与热处理协同破碎并溶解粗大第二相颗粒，减少由颗粒引发的加工缺陷。晶粒与第二相的协调细化抑制了单点金刚石车削（SPDT）中的晶界台阶，使算术平均表面粗糙度（Ra）降低45.7%。

研究背景与立项依据：6061铝合金因高反射率、低密度及优良可加工性，被广泛用于反射镜与光栅等光学元件。表面质量直接决定成像性能，而单点金刚石车削（SPDT）是获得镜面铝件的关键超精密工艺。常规轧制或挤压态6061合金呈粗大成纤晶结构，晶体取向差异导致SPDT中非均匀去除并形成晶界微台阶；铸造或变形聚集的Mg₂Si等第二相颗粒在刀具剪切下易剥落，引发划痕。剧烈塑性变形（SPD）虽可细化组织，但铝合金高层错能使其依赖动态回复，低温（约77 K）变形可抑制交滑移、累积高位错密度，然而直接获得的细晶热稳定性差，后续热处理易异常长大，且第二相界面损伤仍致镜面孔洞。已有研究多关注预处理、变形温度、时效对力学性能的影响，低温热机械处理—再结晶晶粒—第二相细化—SPDT粗糙度之间的链条在6061上尚未厘清。为此，研究人员提出假设：低温多向锻造前施以固溶预处理可改变初始溶质/第二相状态，促进位错累积；变形能驱动固溶处理中的静态再结晶，形成细等轴晶，同时粗第二相破碎溶解，从而降低SPDT晶界台阶与颗粒缺陷、降低Ra。论文发表于《Materials》。

主要技术方法：以热锻6061铝合金坯料（成分1.2 wt% Mg、0.8 wt% Si、0.3 wt% Cu、0.2 wt% Cr、0.2 wt% Fe、0.1 wt% Mn，余量Al）线切割为27 mm×25 mm×23 mm试样。分组预处理：退火组（AT，525 ℃/4 h+300 ℃/6 h炉冷）与固溶组（ST，540 ℃/4 h后室温水淬）。两组均在77 K液氮下沿x/y/z向顺序压缩，每道次真应变0.2，分别进行1、3、9道次（AT1/3/9、ST1/3/9）。变形后统一540 ℃/4 h固溶+177 ℃/10 h人工时效（T6）。SPDT在dJC-250A超精密车床进行，粗切深10 μm/进给10 mm/min/2000 rpm，精切深2 μm/进给1 mm/min。Ra用Zygo白光干涉仪20×测得。微观表征采用电子背散射衍射（EBSD）、透射电镜（TEM，200 kV）、扫描电镜（SEM/EDS）、X射线衍射（XRD，Cu Kα，Williamson-Hall法算位错密度）及维氏硬度。

研究结果

3.1 低温锻造中流变与组织演变

3.1.1 真应力—应变与硬度：AT组流动应力在6道次内升至295 MPa后回落（9道次246 MPa），显示动态回复；ST组无回落，9道次达454 MPa，且高应变段出现~50 MPa锯齿流变（过饱和溶质钉扎位错）。硬度AT从66 HV增至88 HV（6道次）后降至81 HV，ST从117 HV持续增至151 HV，证明ST抑制回复、累积加工硬化。

3.1.2 EBSD分析：1道次时ST变形组织（<2°）占比62.4%高于AT的53.4%，AT低角晶界（LAGB，2–15°）更多。Schmid因子分析显示AT多滑系激活、交滑移成胞；ST因溶质降层错能、抑交滑移，呈平行滑带。9道次时AT变形组织仅剩2.0%，高角晶界（HAGB，>15°）占40.3%，发生显著动态回复与部分再结晶；ST仍保留17.8% HAGB，以变形强化为主。

3.1.3 第二相颗粒：SEM/EDS区分Phase 1（暗，~5–15 μm，Al-Si-Mg-Cu）与Phase 2（亮，~2–5 μm，Al-Si-Mg-Fe）。随道次增加，AT中Phase 1被多向剪切破碎细化；ST预处理已使Phase 2球化减数，9道次后亦有破碎，证实低温锻造促第二相细化。

3.1.4 TEM分析：AT 3道次见~200 nm位错胞，9道次出现近环状衍射（部分再结晶）；ST 3道次为亚晶+平行滑带内高位错缠结，9道次亚结构更细、位错密度极高未再结晶。

3.1.5 XRD分析：WH法得位错密度ρ(×10¹⁴ m^?2)：AT1/3/9为1.24/1.81/1.81，ST1/3/9为1.88/2.69/3.08。AT六道次后饱和，ST单调上升且始终高于AT。

3.2 热处理中的组织细化

3.2.1 晶粒结构：变形储能使540 ℃固溶时发生静态再结晶，得等轴晶，HAGB>90%（AT1为86.8%）。AT晶粒随道次1→6由30.3 μm降至16.7 μm，9道次回弹至17.2 μm；ST持续细化，ST1/3/9为23.3/11.8/10.7 μm。最终晶粒大于冷变形保留超细晶，属高温固溶再结晶态。

3.2.2 第二相颗粒：固溶后Phase 1面积分数与尺寸进一步下降，ST9最优（1.8%，5.8 μm）；Phase 2变化小。破碎+位错/LAGB扩散通道促溶解弥散。

3.2.3 析出相与硬度：177 ℃/10 h时效后Al-Mg-Si系按SSS→GP区→β″→β′→β序列析出，β′/β″为{100}_Al针杆状主强化相；ST高位错密度加速时效析出，硬度提升更显著。

讨论与结论翻译：研究人员确立“预处理—低温锻造—固溶时效—SPDT粗糙度”的显微链条：固溶预处理通过形成过饱和固溶体抑制交滑移，使低温多向锻造累积更高位错密度（ST9达3.08×10¹⁴ m^?2），避免AT组6道次后动态回复饱和；该储存能于540 ℃固溶处理驱动静态再结晶，生成ST9仅10.7 μm的细等轴晶（AT9为17.2 μm）；同步地，多向剪切破碎粗Phase 1（Al-Si-Mg-Cu）与预溶Phase 2（Al-Si-Mg-Fe），固溶中经位错通道进一步溶解，ST9第二相面积分数降至1.8%、平均尺寸5.8 μm。晶粒与第二相协同细化削弱SPDT中取向差异导致的晶界台阶及颗粒剥落划痕，使Ra降低45.7%。该工艺意义在于将热机械处理的设计目标从单纯力学强化转向超精密加工表面生成控制，为6061光学铝件提供可重复的显微定制路线。