原位自生顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料具有高比剛度、高比強(qiáng)度、高塑性及良好的加工性能，是航空航天、裝備制造等領(lǐng)域發(fā)展的關(guān)鍵材料。Al-Zn-Mg-Cu（7XXX Al）鋁合金由于??/?(Mg(Zn,Cu,Al)2)析出相強(qiáng)化，是目前強(qiáng)度最高的鋁合金材料體系。人們將原位自生陶瓷顆粒加入Al-Zn-Mg-Cu鋁合金內(nèi)，以制備更高強(qiáng)塑積的鋁基復(fù)合材料。但是，陶瓷-鋁基體間的非共格/半共格界面作為析出相優(yōu)先形核位點(diǎn)，將促進(jìn)陶瓷顆粒周?chē)执笪龀鱿嗯c無(wú)沉淀析出帶的產(chǎn)生，弱化鋁基復(fù)合材料內(nèi)析出相的強(qiáng)化效果。因此，如何調(diào)控陶瓷顆粒與析出相間的作用關(guān)系，是進(jìn)一步強(qiáng)化陶瓷顆粒增強(qiáng)時(shí)效強(qiáng)化鋁合金復(fù)合材料的關(guān)鍵問(wèn)題。

預(yù)變形處理（預(yù)拉伸或預(yù)軋制等）是時(shí)效強(qiáng)化鋁合金最常用的去應(yīng)力、矯形技術(shù)手段。預(yù)變形引入的位錯(cuò)將作為合金元素快速擴(kuò)散通道與優(yōu)先形核位點(diǎn)，促進(jìn)時(shí)效過(guò)程中鋁合金內(nèi)第二相的形核與長(zhǎng)大。大量文獻(xiàn)報(bào)告：在相同的熱處理工藝下，預(yù)變形后的鋁合金內(nèi)析出相尺寸偏大，削弱了第二相強(qiáng)化的效果；即使在少數(shù)文獻(xiàn)中，預(yù)變形后鋁合金的屈服強(qiáng)度升高，其原因往往是由于預(yù)變形額外引入了位錯(cuò)強(qiáng)化，此時(shí)鋁合金塑性顯著降低、抗拉強(qiáng)度提升有限。因此，我們需要尋求新的強(qiáng)化策略，在不犧牲塑性的前提下，提高時(shí)效強(qiáng)化鋁合金及其復(fù)合材料的強(qiáng)度。

異質(zhì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)韌化是近些年金屬結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域最主要研究的增塑增韌策略之一。島狀分布的粗-細(xì)晶雙峰或多峰結(jié)構(gòu)，在材料制備過(guò)程中易于定量調(diào)控，被廣泛應(yīng)用于高強(qiáng)度鋁合金及其復(fù)合材料內(nèi)。但是，粗大晶粒的加入，在提高塑性的同時(shí)，卻犧牲了原本細(xì)晶材料高強(qiáng)度的優(yōu)勢(shì)。因此，如何在引入粗晶時(shí)保持甚至提高原有細(xì)晶材料的強(qiáng)度，是值得深入研究的問(wèn)題。

值得注意的是，鋁基復(fù)合材料內(nèi)異質(zhì)結(jié)構(gòu)的引入，勢(shì)必會(huì)改變預(yù)變形過(guò)程中材料內(nèi)的位錯(cuò)密度和分布，而位錯(cuò)狀態(tài)的改變又將反饋決定鋁合金內(nèi)第二相的析出行為。因此，能否通過(guò)同時(shí)調(diào)控鋁基復(fù)合材料內(nèi)的異質(zhì)晶粒結(jié)構(gòu)與合金相析出行為，進(jìn)一步提高鋁基復(fù)合材料的強(qiáng)塑積？回答好這個(gè)問(wèn)題，從科學(xué)和工程角度考慮均具有重要意義。

基于以上研究背景，上海交通大學(xué)特種材料研究所以原位自生TiB2顆粒增強(qiáng)Al-Zn-Mg-Cu鋁基復(fù)合材料（TiB2/7050Al）為模型材料，提出了雙峰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)合形變誘導(dǎo)低溫時(shí)效（Pre-deformation assisted low-temperature aging，PLA）策略，定量調(diào)控了超細(xì)晶鋁基復(fù)合材料內(nèi)雙峰晶粒結(jié)構(gòu)參量，消除了陶瓷顆粒周?chē)途Ы绺浇拇执笪龀鱿嗪蜔o(wú)沉淀析出帶，在鋁合金粗晶內(nèi)沿{111}位錯(cuò)滑移面引入了高密度、大長(zhǎng)徑比的層片狀析出相，在不犧牲塑性的前提下，顯著提高了超細(xì)晶鋁基復(fù)合材料內(nèi)析出相的強(qiáng)化效果，成功制備出800 MPa級(jí)高強(qiáng)塑積鋁基復(fù)合材料。相關(guān)研究成果近日以“Enhanced precipitate strengthening in particulates reinforced Al–Zn–Mg–Cu composites via bimodal structure design and optimum aging strategy”為題，發(fā)表于國(guó)際復(fù)合材料領(lǐng)域頂級(jí)期刊《Composites Part B:Engineering》（中科院1區(qū)，TOP期刊，IF=11.322）。論文第一作者為上海交通大學(xué)劉鈞助理研究員，通訊作者包括上海交通大學(xué)陳哲教授。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2023.110772

圖1 雙峰結(jié)構(gòu)鋁基復(fù)合材料設(shè)計(jì)制備與析出相調(diào)控流程圖

圖2 本文制備雙峰結(jié)構(gòu)鋁基復(fù)合材料晶粒結(jié)構(gòu)（EBSD）：（a）ND-ED面；（b）ND-TD面；圖（f）為圖（b）中紅色方框區(qū)域的局部放大圖；（c）、（d）和（e）分別為圖（f）對(duì)應(yīng)的SEM照片（腐蝕后）、Al元素能譜圖和Ti元素能譜圖；（g）為復(fù)合材料內(nèi)粗晶、細(xì)晶區(qū)域沿ED方向的反極圖；（h）為復(fù)合材料內(nèi)粗晶、細(xì)晶區(qū)域的晶粒尺寸分布。

圖3 （a）雙峰結(jié)構(gòu)鋁基復(fù)合材料、超細(xì)晶復(fù)合材料及粗晶鋁合金預(yù)拉伸過(guò)程中的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線；（b）預(yù)拉伸后雙峰結(jié)構(gòu)鋁基復(fù)合材料的TEM照片，展現(xiàn)了預(yù)拉伸后雙峰晶粒結(jié)構(gòu)內(nèi)的位錯(cuò)分布狀態(tài)；預(yù)拉伸后雙峰結(jié)構(gòu)鋁基復(fù)合材料內(nèi)粗晶區(qū)域的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)（c）STEM-BF像、（d）STEM-DF像。

圖4 不同熱處理狀態(tài)下雙峰結(jié)構(gòu)鋁基復(fù)合材料的STEM-HAADF像及其對(duì)應(yīng)的EDS能譜圖：（a）T6;（b）PT6;（c）PLA。圖中給出了不同熱處理狀態(tài)下TiB2顆粒-鋁基體界面析出相特征。

圖5 不同熱處理狀態(tài)下雙峰結(jié)構(gòu)鋁基復(fù)合材料內(nèi)粗-細(xì)晶界面析出相特征：T6狀態(tài)下的（a）STEM-BF像和（d）STEM-HAADF像；PT6狀態(tài)下的（b）STEM-BF像和（e）STEM-HAADF像，其中（g）~（j）分別給出了Al、Zn、Mg、Cu元素能譜圖；PLA狀態(tài)下的（c）STEM-BF像和（f）STEM-HAADF像；

圖6 形變誘導(dǎo)低溫時(shí)效（PLA）熱處理狀態(tài)下雙峰結(jié)構(gòu)鋁基復(fù)合材料內(nèi)位錯(cuò)和析出相特征：（a）粗-細(xì)晶界面附近的BF像；（b）粗晶區(qū)域局部放大BF像，展現(xiàn)了位錯(cuò)附近的析出相；（c）圖（b）所對(duì)應(yīng)的DF像；（d）、（e）、（f）分別為圖（c）對(duì)應(yīng)的Zn、Mg、Cu元素能譜圖；（g）粗晶區(qū)域的HRTEM像；（h）和（i）分別為圖（g）中對(duì)應(yīng)位置的傅里葉變換衍射斑點(diǎn)圖；（j）圖（g）中h區(qū)域沿Al(1–11)晶面的反傅里葉變換圖像，展現(xiàn)了析出相附近的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)。

圖7 （a）雙峰結(jié)構(gòu)鋁基復(fù)合材料微區(qū)硬度分析后的掃描電鏡照片（SEM），插圖分別給出了紅色方框區(qū)域內(nèi)的Ti元素分布及其對(duì)應(yīng)的晶粒結(jié)構(gòu)（EBSD），從圖中可以判斷出每個(gè)微區(qū)硬度點(diǎn)的表征位置（粗晶區(qū)、細(xì)晶區(qū)和粗-細(xì)晶界面區(qū)）;（b）雙峰結(jié)構(gòu)鋁基復(fù)合材料內(nèi)不同特征區(qū)域（粗晶區(qū)、細(xì)晶區(qū)和粗-細(xì)晶界面區(qū)）的微區(qū)硬度分布圖。圖（b）采用了箱型圖和雙因素方差分析體現(xiàn)不同區(qū)域硬度值的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。

圖8 （a）-（i）不同熱處理狀態(tài)下雙峰結(jié)構(gòu)鋁基復(fù)合材料的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線，及其與相同PLA熱處理狀態(tài)下（ii）超細(xì)晶復(fù)合材料和粗晶鋁合金的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線；（b）本文制備雙峰結(jié)構(gòu)鋁基復(fù)合材料與文獻(xiàn)報(bào)道Al-Zn-Mg-Cu（7XXX Al）鋁合金及其復(fù)合材料的力學(xué)性能對(duì)比。圖中展現(xiàn)出本文制備鋁基復(fù)合材料具備較高的強(qiáng)塑積水平。

該研究團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期從事原位自生顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的強(qiáng)韌化方法和機(jī)理研究。近5年來(lái)，在鋁基復(fù)合材料塑性加工改性（Materials Research Letters,2018(6):8,406-412;Journal of Alloys and Compounds 767(2018):293-301;Materials Characterization,155(2019)109790;Materials Characterization 182(2021)111531；Materials Science&Engineering A 805(2021)140614）、快速凝固鋁基復(fù)合材料粉體工程（Materialia 8(2019)100458;Materials Characterization 155(2019)109834;Materials and Design 182(2019)108045;Journal of Alloys and Compounds 816(2020)152584）、陶瓷顆粒-鋁基體界面設(shè)計(jì)（Acta Materialia 185(2020)287–299;Acta Materialia 242(2023)118470）、構(gòu)型化設(shè)計(jì)調(diào)控（Composites Part B 260(2023)110772;Materials Science&Engineering A 875(2023)145139）等方面取得了一系列研究成果，設(shè)計(jì)制備出高強(qiáng)度高塑性鋁基復(fù)合材料，并努力推動(dòng)其在航空、航天等關(guān)鍵領(lǐng)域的應(yīng)用。