超高强度纳米颗粒增强高合金化Al-Zn-Mg-Cu合金的开发

《Materials Science and Engineering: A》：Development of Nanoparticle Reinforced High Alloyed Al-Zn-Mg-Cu Alloy with Ultrahigh Strength

　　

摘要

开发同时具有超高强度和实用延伸率的高合金化Al–Zn–Mg–Cu（AZMC）合金仍然是先进工程应用面临的关键挑战。本研究通过铸造—均匀化—热挤压（HE）—热处理工艺路线，引入微量TiC–TiB₂纳米颗粒，成功开发出一种兼具超高强度和可接受延伸率的高合金化AZMC合金。该合金的屈服强度（YS）为806 MPa，抗拉强度（UTS）为839 MPa，超过了某些喷雾成形合金的报道强度水平。TiC–TiB₂纳米颗粒的引入有效细化了凝固组织，缓解了元素偏析，并使共晶相分布更加均匀，从而为后续的热机械加工创造了有利的组织基础。在热挤压过程中，TiC–TiB₂纳米颗粒诱导的细化和成分均匀组织促进了晶界密度的增加和位错堆积的增强。这些特征促进了固溶处理（ST）过程中溶质的溶解，并为后续时效过程中大量且细密弥散析出相的析出提供了有利条件。因此，该合金通过析出强化、位错强化、Orowan强化和晶界强化的协同效应实现了优异的强韧性匹配，其中析出强化起主导作用。

引言

随着对高强度轻质结构材料需求的不断增长，高强度铝合金引起了广泛关注，并广泛应用于航空航天、交通运输和国防工业[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。在众多锻造铝合金中，Al–Zn–Mg–Cu（AZMC）合金以其卓越的时效硬化能力而著称，使其在飞机机身、承重结构和高速运输系统中得到广泛应用[6]、[7]、[8]、[9]。近年来，人们通过成分设计、优化的热处理策略和先进的热机械加工，对AZMC合金的力学性能提升进行了大量研究。例如，Yuan等人[8]通过调节Zn含量并采用热机械加工来调控Al–Zn–Mg–Cu合金中第二相的多尺度分布。他们的研究表明，粗大的第二相颗粒通过粒子刺激形核（PSN）促进再结晶，而细密的弥散质点则通过粒子钉扎有效抑制晶粒长大，从而获得细化的晶粒组织和改善的力学性能。然而，开发同时实现高强度和足够延伸率的高合金化AZMC合金仍然是其更广泛应用面临的主要挑战。

在高合金化AZMC合金中，增加Zn和Mg含量是实现更高强度的有效途径[10]；然而，这不可避免地引入了严重的冶金挑战。过高的溶质含量加剧了凝固过程中的元素偏析，导致低熔点组成物的形成和脆性枝晶间网络的产生[11]、[12]。因此，显著的成分不均匀性和微观偏析由此产生，增加了后续热机械加工过程中的开裂敏感性并降低了制造的可靠性。与此同时，尽管Zn和Mg在Al中的固溶度很高，这为密集的η′/η析出和高析出强化潜力提供了基础，但由于残余偏析、粗大晶粒和组织不稳定性[13]，常规热处理不足以完全激活高合金化AZMC合金的强化能力。

为了克服这些局限性，快速凝固工艺路线，尤其是喷雾成形（SF），已被研究用于缓解偏析、细化组织和增强析出行为[14]、[15]。例如，Long等人[14]通过喷雾成形制备了AZMC合金，获得了偏析和孔隙减少的细化组织。在后续的热挤压和固溶处理后，合金表现出改善的相溶解和析出特征，有利于时效硬化。类似地，Liu等人[16]通过SF开发了一种Al–Zn–Mg–Cu–Zr合金（8.31–2.07–2.46–0.12 wt%），在热挤压和热处理后实现了抗拉强度（UTS）684 MPa和延伸率（El）17.4%。然而，SF仍然受到孔隙去除不彻底和需要后续变形加工的局限，这使制造工序复杂化并增加了生产成本。

值得注意的是，近期的研究表明，将陶瓷颗粒引入金属材料为先进的组织调控提供了一种有效策略[17]、[18]、[19]、[20]。陶瓷颗粒可以显著提高组织的均匀性，减少偏析带宽度，并促进更细和更均匀的析出相分布，从而通过晶界、位错和析出强化机制实现协同强化[21]、[22]、[23]。例如，Ma等人[24]将TiC–TiB₂纳米颗粒引入Al–Cu基合金，改善了组织均匀性，细化了枝晶间第二相网络，并促进了纳米析出相更均匀的分布。此外，与可能因应力集中而降低延伸率的微米级颗粒不同，微量纳米颗粒的添加可以有效地调控组织，实现强度和延伸率的同步提升。对于Al–Zn–Mg–Cu合金，Zhao等人[25]将TiC颗粒引入7050合金，发现TiC的添加通过生长抑制和非均匀形核有效细化了晶粒组织。此外，TiC颗粒促进了析出相细化和位错堆积增强，导致强度和延伸率的协同提高。Abdollahi等人[26]将TiC纳米颗粒引入Al 7075合金薄板熔焊的填充金属中，发现纳米颗粒改变了共晶相的形貌和分布，从而有效抑制了凝固开裂。Wu等人[27]将TiB₂颗粒引入Al–9Zn–2.3Mg–1.5Cu–0.2Zr合金中，证明TiB₂的添加使凝固组织从粗大枝晶组织转变为细小等轴晶组织。细化的晶粒组织降低了热裂敏感性并增强了晶粒细化强化的贡献。总体而言，TiC和TiB₂颗粒在高强度铝合金的组织调控方面表现出了相当大的潜力。然而，以往的研究主要集中于单一陶瓷增强相，而TiC–TiB₂双相纳米颗粒对AZMC合金凝固、变形和析出行为耦合调控的协同效应仍 largely 未被探索。

受这些挑战的启发，本研究提出了一种高合金化纳米颗粒增强AZMC合金（NPRA）的设计策略。在高度合金化的AZMC基体中引入微量TiC–TiB₂纳米颗粒，以实现凝固组织、热机械加工行为和时效析出特征的多尺度协同调控。同时，系统地研究了NPRA在不同加工条件下的组织演化和相应的力学性能。结果表明，纳米颗粒的引入使得经过热挤压的高合金化NPRA能够形成细化、稳定和均匀的组织，从而在热处理后保持可接受延伸率的同时，实现与许多常规高强度铝合金相当甚至更高的超高强度。本研究为高合金化AZMC体系中纳米颗粒介导的组织调控提供了新的见解，并凸显了纳米颗粒强化策略在常规加工路线中的潜力。所提出的方法为开发用于航空航天和其他高性能应用的下一代轻质结构材料提供了一条有前景的途径。

各部分内容摘要

实验材料与方法

基于相同的高合金化AZMC成分，通过铸造、均匀化、热挤压（HE）和T6热处理制备了一种基体合金（BA）和一种纳米颗粒增强合金（NPRA）。NPRA通过引入微量TiC–TiB₂纳米颗粒制备，而BA则在未添加纳米颗粒的条件下制备。对于BA，在800 °C下熔化7075铝合金，并加入Al–Zn中间合金和高纯度Cu以实现目标成分。完全熔化后，加入纯Mg

组织表征

作为后续变形加工前的初始状态，铸态AZMC合金对后续的组织演化和最终力学性能具有重要影响。因此，首先研究了BA和NPRA在铸态下的组织。如图2a₁和a₂所示，TiC–TiB₂纳米颗粒的引入引起了显著的晶粒细化，平均晶粒尺寸从108.1 μm减小到57.2 μm，约减少了

组织演化

纳米颗粒在AZMC体系中的引入导致了铸态晶粒结构的显著细化。这一现象可以从凝固过程中非均匀形核和枝晶生长抑制的角度来理解。首先，由于优异的热稳定性，TiC和TiB₂纳米颗粒可以作为α-Al相在凝固过程中的有效非均匀形核衬底[50]、[51]、[52]。经典形核理论[53]和

结论

本研究通过引入微量TiC–TiB₂纳米颗粒，成功开发出一种溶质含量较高且具有富含析出相组织的Al–Zn–Mg–Cu（AZMC）合金。通过铸造、均匀化、热挤压和热处理的工艺路线，该合金实现了超高强度并保持了可接受的延伸率。主要结论总结如下：

• (1)
  TiC–TiB₂纳米颗粒的添加显著细化了铸态组织，通过

CRediT作者贡献声明

Qi-Chuan Jiang：监督指导、项目管理、经费获取。Swee Leong Sing：写作—审阅与编辑、监督指导、调查研究。Feng Qiu：写作—审阅与编辑、监督指导、资源提供、项目管理、方法论、经费获取。Bai-Xin Dong：监督指导、方法论、调查研究。Hong-Yu Yang：写作—审阅与编辑、验证、监督指导、资源提供。Shuang-Shuang Li：写作—原稿撰写、形式分析、数据整理

未引用参考文献

[37]、[38]、[45]、[46]、[49]。

利益冲突声明

? 作者声明不存在已知的财务利益冲突或个人关系，这些关系可能被认为对本研究结果有所影响。

致谢

本工作得到国家自然科学基金（编号：52371109）、中国吉林省科学与技术发展计划（编号：20260102102JC）以及中国博士后科学基金（编号：2025M770026）的资助。

Shuang-Shuang Li|Hong-Yu Yang|Swee Leong Sing|Bai-Xin Dong|Feng Qiu|Qi-Chuan Jiang

吉林大学，吉林省长春市，国家汽车轻量化集成与仿生重点实验室，130025，中华人民共和国