变形AA5083铝合金切屑经摩擦螺杆挤压固态回收：微观组织与力学性能

《Materials Today Communications》：Solid-state recycling of wrought AA5083 aluminium chips via friction screw extrusion: microstructure and mechanical properties

　　

通过旋转螺杆挤压对铝加工切屑进行固态回收，迄今仅在可热处理铸造合金及增材制造合金中得到验证，此类合金可在固结后通过后续热处理恢复强度。研究人员将该工艺系列扩展至不可热处理的变形AA5083合金，该合金无法进行时效处理，任何强度恢复都必须在挤压步骤本身单一热机械循环内完成。将AA5083-H111加工切屑冷预压成8 mm坯料，并通过摩擦螺杆挤压（FScE）——一种旋转螺杆工艺——固结成连续的5 mm挤出物。光学显微镜、SEM-EDX和EBSD证实了完全固结，获得了晶粒尺寸为7–8 μm的细小等轴微观组织、随机化的晶体学织构、弥散分布的Al₆(Mn,Fe)晶间颗粒，并表明固结界面处无连续氧化膜。力学测试显示，极限抗拉强度保持了锻造态的92%（329对357 MPa），屈服强度保持了锻造态的80%，同时断裂伸长率增加了35%。在经FScE处理的固体原料中也同样观察到屈服强度下降，这表明该现象是FScE热机械循环的特征，而非切屑回收工艺的特征。未检测到晶界β相富集，表明敏化风险有限。研究结果确立了FScE作为变形Al-Mg切屑可行的固态回收路线，并指明了通过与连续喂料挤出机耦合实现连续化操作的直接路径。

基于摩擦螺杆挤压的AA5083铝合金切屑固态回收研究解读

铝材生产能耗巨大，加工切屑构成二次废料流的主要部分，传统重熔回收因氧化烧损和混料冶金复杂性，回收率通常仅约55%。固态回收通过不经熔炼的直接固结，可获得更高的收率和更低的能耗。已有固态回收路线大多依赖剧烈塑性变形以破碎表面氧化层并形成金属键结合，包括热挤压、冷挤压、等通道转角挤压和连续螺杆挤压等。摩擦螺杆挤压（FScE）属于旋转螺杆挤压家族，具有轴向力低、螺杆主动输送的特点，适合增材沉积和连续喂料。然而，此前旋转螺杆切屑回收仅成功应用于可热处理的AlSi10Mg铸造合金废料，尚缺乏对不可热处理变形铝合金的验证。针对上述问题，本研究首次将FScE应用于不可热处理的变形AA5083合金：该合金无时效强化途径，强度恢复必须依赖挤压过程本身单一热机械循环完成，且AA5083作为船舶、车辆等领域广泛应用的5xxx系合金，其加工切屑的固态回收具有工业意义。研究结果发表于《Materials Today Communications》。

研究人员将AA5083-H111圆棒通过无切削液端面铣削制备切屑，冷预压为8 mm坯料，再经FScE固结为连续5 mm挤出物。样本包括三类：原料（S0）、FScE固体挤压态（T1）和FScE切屑回收态（S1–S8），均来自同一批次AA5083-H111。主要关键技术方法包括：光学显微镜（LM）和微计算机断层扫描（μ-CT）用于宏观缺陷与孔隙率表征；扫描电子显微镜结合能谱分析（SEM-EDX）用于第二相颗粒、元素分布及氧化物检测；电子背散射衍射（EBSD）用于晶粒尺寸、晶界特征和织构分析；X射线衍射（XRD）结合Rietveld精修用于物相鉴定与基体Mg含量测定；室温拉伸试验用于力学性能评价。

3.1 宏观形貌与孔隙率：FScE成功制备了长约500 mm、直径5 mm连续挤出物，表面呈典型螺旋环纹，除起始段因热输入不足外无可见开裂或未固结区域。LM抛光截面显示所有样本无宏观孔隙；μ-CT测得回收态总体积孔隙率仅0.004%，最大单个孔隙体积小于0.01 mm³，表明近全致密固结。

3.2 微观组织：LM显示原料中粗大Al₆(Mn,Fe)颗粒沿挤压方向排列，而FScE后颗粒被破碎为更细、更均匀的弥散分布且无择优取向。EBSD测得回收态横、纵截面面积加权平均晶粒尺寸分别为7.43 μm和7.95 μm，为均匀细等轴晶，高角度晶界比例高。EDX未发现同时富氧和铝的区域，仅一个贫铝富镁的孤立含氧夹杂（可能为MgO残留），证明旋转螺杆剪切有效破碎了切屑表面氧化物且无连续Al₂O₃薄膜。EDX和XRD测得基体Mg含量分别为4.35 wt.%和4.41 wt.%，未见Mg损耗；XRD鉴定出Mg₂Si相，未检测到敏化相β-Al₃Mg₂。

3.3 拉伸行为与断口形貌：拉伸试验表明，回收态（S6）极限抗拉强度329 MPa，保持锻造态的92%；屈服强度159 MPa，保持80%；断裂伸长率0.283，相比锻造态提高35%。FScE固体态（T1）强度降低幅度与回收态一致，说明屈服强度下降是FScE热机械循环固有特征而非切屑回收固有特征。所有样本应力-应变曲线均呈现Portevin–Le Chatelier效应锯齿；回收态出现唯一明显屈服点。断口呈现典型韧窝形貌，以微孔聚集型延性断裂为主，无脆性晶间断口特征；T1和S6断口中的谷状特征源于个别微孔隙或颗粒夹杂，未发展为宏观裂纹源。

讨论部分指出：微观组织演化源于旋转螺杆高剪切与高温协同作用下的动态回复（DRV）和动态再结晶（DRX）；Al₆(Mn,Fe)颗粒的破碎均匀化以及无连续氧化膜是界面冶金结合良好的直接证据。UTS保持92%归因于固溶强化得到保留以及细晶强化补偿；屈服强度下降则因H111态的位错网络强化在DRV/DRX过程中被消除，且该不可热处理体系缺乏析出强化等替代机制，研究人员指出后续冷加工是恢复或超越屈服强度的潜在途径。延伸率提高35%与织构随机化、晶粒细化和无宏观缺陷三方面协同作用有关。与已有研究相比，FScE回收AA5083无需任何后续热处理即达到329 MPa和28%延伸率，与经时效的SSE回收AlSi10Mg（346 MPa，19%）水平相当。敏化方面，FScE高温停留时间短，未引起晶界β相析出，表明该工艺对5xxx系合金具有较低的敏化风险。

研究结论为：切屑冷预压坯经FScE固结可获得完全致密的连续棒材，回收态保持锻造态92%的极限抗拉强度和80%的屈服强度，断裂伸长率提高35%；微观组织为细等轴晶且织构随机化，Al₆(Mn,Fe)颗粒均匀弥散，无连续氧化膜，晶界无β相富集。上述结果将旋转螺杆切屑回收从可热处理铸造合金拓展至不可