《Acta Materialia》：用于高温薄板成形的细晶铝交叉合金！

为了促进汽车的进一步轻量化和减轻重量，增加铝合金的使用将是有益的。然而，如果铝合金要适用于高级应用，就必须解决其良好的成型性和高强度之间的权衡问题。交叉合金可以极大地帮助解决这个问题：通过将5xxx系列合金的高镁含量（良好的成型性）与7xxx系列合金的沉淀硬化能力（5/7交叉）相结合，克服了权衡的需要。通过保持Mg/Zn比率<1，通过T相析出实现硬化。T相(Mg32(Al,Zn)49)每个晶胞有162个原子，成分范围很广，具体取决于合金成分和所采用的热处理。还可以通过添加Ag或Cu来增强沉淀，这会增加Guinier-Preston(GP)区形成的数密度。然而，新型5/7交叉合金的沉淀序列尚未得到充分探索。

来自奥地利莱奥本矿业大学的学者介绍了一种可时效硬化的细晶粒AlMgZnCu交叉合金，用于超塑性和快速塑性成型工艺。该研究利用T相(Mg32(Al,Zn)49)进行晶粒细化和时效硬化。它部署了均匀分布的µm尺寸的T相颗粒，这些颗粒可以在最终固溶退火时溶解，并用于板材工业加工过程中的重粒子受激成核(PSN)，以达到等轴晶粒尺寸低至4µm。这种细小的晶粒尺寸有利于铝合金的高温成形。当在470℃下以10−2 s−1或5*10−5 s−1的应变率变形时，伸长率超过200%和400%，有趣的是，即使保持在该温度下，细晶结构也非常稳定。此外，在水或压缩空气中淬火的烤漆热处理后，该材料达到了超过380 MPa的屈服强度值。该研究证明了PSN的重要性，并通过简单的T相粒子晶粒细化模型对其进行了描述。它根据随机晶界取向差分布结合观察到的高溶质含量，通过溶解的T相和Smith-Zener钉扎，探索了细晶粒组装体的高稳定性。使用可溶性T相展示的简单、可商用的晶粒细化策略，以及由此产生的独特性能概况，使所讨论的交叉合金成为高温板材成型工艺的有前途的候选者。相关文章以“Fine-grained aluminium crossover alloy for high-temperature sheet forming”标题发表在Acta Materialia。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.118952

图1.冷轧5/7交叉合金的SEM-BSE显微照片（a）；发现的颗粒的EDX图表明T相(b)，这可以通过XRD分析衍射图(c)进行验证；与Mackenzie之后的随机相比，晶界取向错误的分布(d)。

图2.R2后合金中弥散质的STEM/EDX图；HAADF图像的比例尺也适用于EDX图像。

图3.再结晶退火(380℃/5 min/WQ)(a)和固溶退火(480℃/1 min/WQ)(b)后板材的SEM/BSE显微组织图像。

图4.热处理后具有58%CRD的材料的SEM-EBSD IPF映射和>5°晶界：盐浴R1中的再结晶退火（380℃/5分钟）（a）；在空气炉R4中固溶退火(480℃/35分钟)(b);归一化粒度分布的直方图(c)；与Mackenzie之后的随机相比，晶界取向错误的分布(d)。

图5.热处理后具有85%CRD的材料的SEM-EBSD IPF映射和>5°晶界：盐浴中再结晶退火(380℃/5 min)(a)；在空气炉中进行固溶退火(480℃/35分钟)(b)；归一化粒度分布的直方图(c)；与Mackenzie之后的随机相比，晶界取向错误的分布(d)。

图6.在盐浴中固溶退火后具有58%CRD的板材的真应力-真应变曲线(480℃/1分钟)。测试在470℃的温度和1·10−2 s−1（灰色）、5·10−4 s−1（蓝色）和5·10−5 s−1（黄色）的恒定应变率下进行（a）。以1·10−5 s−1的应变率进行拉伸测试前后的样品，采样位置以红色显示，网格单元尺寸为1 cm(b)。

图7.热处理后具有58%CRD的材料的SEM-EBSD IPF映射和>5°晶界：在盐浴中固溶退火和(480℃/1分钟)和随后的高温拉伸测试(470℃/24小时)(a);Mackenzie之后的晶界取向差分布与随机分布相比(b)；靠近断裂面的变形区域的EBSD带对比显微照片,测试温度470℃，应变率为10−2 s−1(c)、5*10−4 s−1(d)和5*10−5 s−1(e)。

图8.在盐浴（480℃/1分钟）中进行溶质退火（SA）后1 mm 5/7交叉板的机械性能，在SA和烤漆后进行水淬（WQ）和压缩空气淬火（PB)(180℃/20分钟);在SA之后进行预老化(PA)(100℃/5 h)，在PA和PB之间部署25℃的14天自然老化(NA)。

图9.冷轧板在盐浴中380℃3秒后的EBSD显微照片；使用Al矩阵T相的IPF着色在RD-ND平面中映射(a)；KAM图（第5阶），以黄色(b)覆盖富锌数据点（T相指标）；容差角为10°的相关纹理分量，富锌数据点再次呈黄色(c)。

图10.PSN在5/7交叉合金中通过溶质原子进行后续稳定的晶粒细化过程示意图

图11.对于具有58%(a)和85%(c)CRD的样品，在R1之后的条件下，在phi2=0°、45°和65°处的取向分布函数截面；对于具有58%(b)和85%(d)CRD的样品，在R2之后；在R5之后，对于具有58%CRD(e)的样品。

本研究提出了一种工业上可行的方法来生产晶粒尺寸远低于10µm的细晶交叉合金，用于板材成形操作。该研究确定了该过程中主要的晶粒细化机制是粒子激发成核。使用粗T相颗粒。因为该相在再结晶期间和之后溶解到基体中，所以它不再对机械性能产生与相同尺寸的不可溶解相相同的不利影响。该结构表现出出色的稳定性，即使在溶质退火后在470℃下保持24小时，也显示出最小的晶粒生长。晶粒组装的高稳定性首先是由于溶质含量对晶界流动性的影响增加，这是由近随机晶界取向差分布引起的。其次，可以清楚地表明，存在的弥散体表现出的尺寸限制（3.2µm）。这意味着在一次再结晶之后，晶粒集合体已经超过临界晶粒尺寸，并且无法预见正常的晶粒生长。高温拉伸测试表明合金适用于超塑性和快速塑性成型工艺。这些合金在这些条件下分别实现了高达445%和235%的伸长率值，这些数字与工业上建立的合金所具有的特征相当。该研究说明了基于两种不同淬火速率的合金保留的高时效硬化潜力。独立于任何一个，合金在接近400 MPa的屈服强度和500 MPa的拉伸强度的烤漆循环后显示出时效硬化响应。上述性能以及它们在简单生产和大规模商业应用方面的潜力，使细晶粒5/7-铝交叉合金非常有希望用于高温板材成型操作。（文：SSC）