導讀：本研究介紹了用于超塑性和快速塑料成型工藝的耐時效、細晶AlMgZnCu合金。該研究利用T相（Mg32（Al，Zn）49）進行晶粒細化和時效硬化。它部署了微米大小的T相顆粒的均勻分布，這些顆?？梢栽谧罱K固溶退火時溶解，并在板材的工業(yè)加工過程中用再結(jié)晶成核（PSN），以達到低至4微米的等軸晶粒尺寸。這種細靜晶粒尺寸有利于鋁合金的高溫成型。當在470°C時以10^-2 s^-1或5*10^-5 s^-1的應變率變形時，伸長率超過200%和400%，有趣的是，即使在該溫度下保持一天，晶粒結(jié)構(gòu)也非常穩(wěn)定。此外，在對水或壓縮空氣中進行淬火進行油漆烘烤熱處理后，該材料的屈服強度值超過380MPa。

為了促進進一步的輕量化并減輕汽車的重量，增加鋁合金的使用將是有益的。然而，如果鋁合金要適合高級應用，就必須解決鋁合金的良好成形性和高強度的權(quán)衡問題。交叉合金可以極大地幫助解決這個問題?；浇潭嗥绽障冗M鋁合金實驗室的學者們通過將5xxx系列合金的高鎂含量（具有良好的成形性）與7xxx系列合金（5/7交叉）的沉淀硬化能力相結(jié)合，克服了權(quán)衡的需求。通過保持鑼/鋅比<1，通過T相沉淀實現(xiàn)硬化。T相（Mg32（Al，Zn）49）每個單位電池有162個原子和廣泛的成分，這取決于合金成分和應用的熱處理。降水也可以通過添加Ag[或Cu來增加Guinier-Preston（GP）區(qū)形成的數(shù)量密度。新型5/7交叉合金的沉淀序列尚未得到充分探索。然而，據(jù)建議，正如Stemper等人所總結(jié)的那樣，雖然降水尚未完全清楚，但它在GP區(qū)和T期或η期的前體上進行。

通過使用2步熱處理和添加Cu，可以達到5/7交叉合金的高強度水平。在100°C左右預老化，在185°C下進行油漆烘烤（或烘烤硬化）20分鐘，導致油漆烘烤響應（PBR）超過150 MPa，總屈服強度水平超過400 MPa。對于添加Cu的5/7交叉合金，Lüders伸長率和Portevin-Le-Chatelier（PLC）效應可以防止或抑制，并報告了由于狹窄的無沉淀區(qū)（PFZ）而增強的粒間耐腐蝕性（IGC）。據(jù)報道，5/7交叉合金還表現(xiàn)出改進的應力腐蝕開裂（ICC）和耐去角質(zhì)性能。交叉合金已被證明適用于摩擦攪拌加工（FSP）和常規(guī)焊接操作。即使是太空中的專用應用似乎也可行。由于5/7交叉合金具有許多有前途的特性，因此探索其潛在應用領域非常有趣。例如，高溫成型工藝，如超塑料成型（SPF）或快速塑料成型（QPF），將具有商業(yè)意義，因為最常用的5xxx系列合金，如EN-AW 5083，不能進行老化硬化。

超塑性成型是一種多晶材料可以承受非常高的伸長率而不會失效的過程。在商業(yè)上，此類過程在≥0.5Tm（熔點）范圍內(nèi)的溫度下以10-4-10-2 s-1的低應變率進行。如果材料要表現(xiàn)出超塑性行為，有兩個主要要求：首先，高應變率靈敏度以限制頸部；其次，低損壞積累率（例如空化），以防止材料過早失效。由于應變率靈敏度隨著晶粒尺寸的減小而增加，人們普遍認為，商用超塑料鋁合金的關(guān)鍵要求是穩(wěn)定的晶粒尺寸<10μm。

文獻中深入討論了超塑性成形的變形機理。控制超塑料成形的潛在機制是晶界滑動（GBS）。雖然人們普遍認為GBS是在低應變率和高溫下超塑料成型的主要機制，但高溫成型過程通常伴隨著甚至完全由溶質(zhì)拖拽控制滑蠕變（SDC）控制。這在更高的應變率下更明顯≥10?2 s?1和較低的溫度，與快速塑料成型更相關(guān)。雖然GBS的塑性變形的特點是高應變率靈敏度指數(shù)（m≥0.5），但SDC的變形的特點是較低的m值為≈0.25-0.33。

由于小而穩(wěn)定的晶粒尺寸至關(guān)重要，因此已經(jīng)部署了各種晶粒細化技術(shù)。振動和攪拌、快速凝固和添加谷物精煉機可以在凝固過程中進行。超細顆粒可以通過嚴重塑性變形（SPD）產(chǎn)生，即高壓扭轉(zhuǎn)、摩擦攪拌處理、等通道角壓或累積卷粘結(jié)。然而，由于成本高，樣本量小，SPD產(chǎn)品的商業(yè)使用仍然很少。再結(jié)晶過程中的后續(xù)晶粒生長可以通過散體被齊納固定效應所抑制。

本研究提出了一種5/7交叉合金，具有等軸細粒微結(jié)構(gòu)（≤5微米晶粒尺寸），非常適合SPF和QPF操作，無需額外的制造步驟或化學添加即可生產(chǎn)。加工過程中的晶粒通過微米大小的T相顆粒的獨特分布來實現(xiàn)，這些顆粒溶解在最終固溶退火中。研究表明，即使在470°C的溫度下24小時，T相誘導的PSN在再結(jié)晶期間獲得的細顆粒微結(jié)構(gòu)也非常穩(wěn)定，沒有其他元素，如Zr或Sc來形成分散體。它還表明，即使在熱成型后用空氣冷卻時，該合金也具有通常的高時效硬化潛力。相關(guān)研究成果以“Fine-grained aluminium crossover alloy for high-temperature sheet forming”發(fā)表在頂刊Acta Materialia上。

鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645423002835

圖1.冷軋5/7交叉合金的SEM-BSE顯微照片（a）；指示T相（b）的發(fā)現(xiàn)顆粒的EDX映射，可以通過XRD分析衍射圖（c）驗證；

圖2.R2后合金中散體的STEM/EDX映射；HAADF圖像的刻度條也適用于EDX圖像。

圖3.片材經(jīng)過再結(jié)晶退火（380°C/5 min/WQ）（a）和固溶退火（480°C/1 min/WQ）（b）后的SEM/BSE微觀結(jié)構(gòu)圖像。

圖4.熱處理后，SEM-EBSD IPF映射和58%CRD材料的>5°晶界：在鹽浴R1中再結(jié)晶退火（380/5分鐘）（a）；在空氣爐R4中進行溶液退火（480°C/35分鐘）（b）；未索引為fcc鋁相的點以白色顯示；歸一化晶粒尺寸分布的直方圖（c）；與麥肯齊（d）后隨機的晶粒邊界錯向相比。

圖5.熱處理后85%CRD材料的SEM-EBSD映射和>5°晶界：鹽浴中的再結(jié)晶退火（380/5分鐘）（a）；空氣爐中的固溶退火（480°C/35分鐘）（b）；未索引為fcc鋁相的點以白色顯示；歸一化晶粒尺寸分布的直方圖（c）

圖6.在鹽浴中進行固溶退火（400°C/1分鐘）后，具有58%CRD的板材的真實應力-真實應變曲線。在470°C的溫度和1·10?2 s?1（灰色）、5·10?4 s?1（藍色）和5·10?5 s?1（黃色）（a）的恒定應變率下進行的測試。拉伸試驗前后的樣品應變率為1·10?5 s?1，采樣位置以紅色顯示。網(wǎng)格單元格大小為1厘米（b）。

圖7.熱處理后，SEM-EBSD IPF映射和材料>5°晶界與58%CRD：在鹽浴中退火和（480°C/1分鐘）以及隨后的HT拉伸測試（470°C/24 h）（a）；未索引為白色顯示的fcc鋁相的點；與麥肯齊（b）[69]后隨機相比，晶界錯位分布；EBSD帶對比顯微照片的變形區(qū)域靠近斷裂表面；測試溫度470°C，應變率為10?2 s-1（c）、5*10?4 s?1（d）和5*10?5-10?5 s?1（e）；負載方向是水平的。

圖8.在鹽?。?8°C/1分鐘）中溶質(zhì)退火（SA）后1毫米5/7交叉板的機械性能，水淬火（WQ）和SA和油漆烘烤（PB）后壓縮空氣淬火（180°C/20分鐘）；在SA后進行預老化（PA）（100°C/5 h），在PA和PB之間部署了14天自然老化（NA）25°C。

這項研究提出了一種工業(yè)上可行的方法，用于生產(chǎn)晶粒尺寸遠低于10微米的細晶粒交叉合金，用于板材成型操作。該研究確定了該過程中的主要晶粒細化機制為粒子刺激成核。由于該相在再結(jié)晶期間和之后溶解在基體中，因此不再能對機械性能產(chǎn)生與相同大小不可溶解的相相同的不利影響（并在后期加工階段導致老化硬化）。該結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出出色的穩(wěn)定性，即使在溶質(zhì)退火后在470°C下保持24小時，谷物生長也最小。晶粒組件的高穩(wěn)定性首先是由于接近隨機晶粒邊界錯位分布導致溶質(zhì)含量對晶粒邊界移動性的影響增加。其次，可以清楚地表明，存在的散體表現(xiàn)出大約的齊納尺寸限制。3.2微米，這意味著在初級再結(jié)晶后，晶粒組件已經(jīng)超過了臨界晶粒尺寸，無法設想正常的晶粒生長。

高溫拉伸試驗證明了合金對超塑料和快速塑料成型工藝的適用性。在這些制度下，這些合金的伸長率值分別高達445%和235%，這些數(shù)字與工業(yè)建立的合金相當。

該研究根據(jù)兩種不同的淬火率說明了合金的高保齡硬化潛力。與兩者無關(guān)，這些合金在接近400 MPa屈服強度和500 MPa拉伸強度的油漆烘烤循環(huán)后表現(xiàn)出老化硬化反應。

上述性能，加上其簡單生產(chǎn)和大規(guī)模商業(yè)用途的潛力，使細粒度5/7-鋁交叉合金在高溫板材成型操作中非常有希望。