摘要：铝锌镁铜合金是一种高强变形铝合金，常用于制备航空和高速轨道交通等领域的大型结构件，对强塑性协同要求极高。偏析、热裂以及再结晶-析出组织的协同调控一直是制备大尺寸铝锌镁铜工件的挑战和难点。近年来，低能耗、低污染的柔性近净搅拌摩擦焊是一种高效的金属连接方法，可获得

铝锌镁铜合金是一种高强变形铝合金，常用于制备航空和高速轨道交通等领域的大型结构件，对强塑性协同要求极高。偏析、热裂以及再结晶-析出组织的协同调控一直是制备大尺寸铝锌镁铜工件的挑战和难点。近年来，低能耗、低污染的柔性近净搅拌摩擦焊是一种高效的金属连接方法，可获得高质量连接头，但焊后热处理期间焊核区晶粒异常长大严重限制其应用。因此，通过搅拌摩擦焊制备高强大尺寸铝锌镁铜工件需在不同工艺下解决以下核心问题：（1）铸造过程中，有效抑制偏析，避免后续热挤压和搅拌摩擦焊过程中发生热裂；（2）热挤压过程中，有效调控再结晶。

【研究亮点】

本研究提出了一种通过高效调控铝合金凝固-再结晶-析出组织以获得高强大尺寸铝锌镁铜合金的新策略。利用微量内生TiC-TiB2颗粒实现对凝固组织偏析的削弱，对再结晶组织的细化以及小角度晶界的高密度化，对η'相和GP区析出的促进以及对焊后热处理焊核区晶粒异常长大的抑制，获得具有优异强塑性协同的大尺寸铝锌镁铜合金并揭示出微量纳米颗粒对铝合金液固相变和固态相变行为的调控机制以及强韧化机制。

【图文解析】

通过Al-Ti-B4C反应体系通过熔体内生法制备0.5 wt.%TiC-TiB2颗粒增强铝锌镁铜合金。如图1所示为熔体内回收的反应产物及萃取后的颗粒表征，内生TiC和TiB2颗粒可在均匀分散，平均尺寸为~144 nm。

图1. 熔体内回收的反应产物及萃取的纳米颗粒表征。

在铸态组织方面，微量内生纳米颗粒显著细化铸态组织并削弱Zn、Mg、Cu的元素偏析，如图2所示。

图2 未调控及调控后铝锌镁铜合金的OM分析。

热挤压过程中，微量纳米颗粒调控后动态再结晶比例提高，且点对点及点对原点取向差更高，为静态再结晶提供更多储能，如图3所示。热处理过程中，静态再结晶比例提高，大角度晶界比例和小角度晶界数量密度提高，如图4所示。较高密度的晶界可以有效抑制相邻晶粒间的位错滑移，促进位错扩散，有利于强度的提高。较高数量密度的小角度晶界由于可被位错穿越，有助于保持型材的良好塑性。

图3 未调控及调控后铝锌镁铜合金的动态再结晶组织EBSD分析。

图4 未调控及调控后铝锌镁铜合金的静态再结晶组织EBSD分析。

微量纳米颗粒调控后，析出相的数量增加，且分布更加均匀，如图5所示。此外，晶界无析出区宽度减小，说明析出相可析出区域变宽，为η′析出相提供更多的成核位点。同时，微量纳米颗粒促进了GPI区及GPII区的析出。这些共格GP区可以被位错直接穿越，从而减少位错自由滑移的距离，有助于保持铝锌镁铜型材良好的塑性。

图5 未调控及调控后铝锌镁铜合金的静态析出组织TEM分析。

在纳米颗粒的促形核和抑制生长的双重作用下，焊接态焊核区动态再结晶组织显著细化。同时，由于搅拌摩擦焊过程储存了巨大的变形能量，在焊后热处理过程中焊核区中心区域会发生异常晶粒长大，形成粗晶区域。未调控合金的焊核中心区域完全由粗晶组成，纳米颗粒调控后仅发生部分晶粒异常长大，细晶区占比26.8%，如图6所示。

图6 未调控及调控后铝锌镁铜合金搅拌摩擦焊后接头内组织的EBSD分析。

通过检测室温拉伸性能发现，强化后铝锌镁铜型材沿挤压方向的屈服强度和极限抗拉强度分别提升到681 MPa 和738 MPa，同时保持了9.2%的良好塑性应变，其中屈服强度和极限抗拉强度与强化前相比提高了4.3%和4.2%且塑性应变几乎没有降低；延垂直挤压方向的屈服强度和极限抗拉强度分别提高到827 MPa和885 MPa且塑性应变保持在10.2%，其中屈服强度和极限抗拉强度与强化前相比分别提高了10.1%和10.2%且塑性应变几乎未见降低。强化后焊后热处理态搅拌摩擦焊接头延挤压方向的屈服强度和极限抗拉强度分别提高到659 MPa和691 MPa，分别比强化前提高了24.8%和17.5%，同时塑性应变保持在6.9%。强化后，延垂直于挤压方向的接头屈服强度和极限抗拉强度分别提高到847 MPa和909 MPa，分别比强化前提高了17.0%和15.6%，塑性应变保持在2.8%。挤压型材的强度提高主要由于晶界强化、位错强化和 Orowan 强化，其中Orowan强化为最主要的强化机制，良好塑性的保持主要由于高密度的小角度晶界和GP区可被位错直接穿过，便于载荷传递。对于搅拌摩擦焊接头，焊后热处理后焊核区内超细晶区的保留对晶界强化贡献较大，同时位错强化和Orowan强化仍然起作用。

图7 未调控和调控后铝锌镁铜型材及搅拌摩擦焊接头的室温强塑性。

【主要结论】

本研究提出了一种通过搅拌摩擦焊连接微量内生TiC-TiB2纳米颗粒强化铝锌镁铜型材制备高强大尺寸铝锌镁铜合金的新策略，并系统地揭示了液固相变及固态相变微观组织优化机制和强化机制。微量纳米颗粒对生长的抑制使得凝固过程中液相流动更加流畅，合金元素分布更加均匀，铸态组织的明显细化为合金元素提供了更多的聚集空间，晶界上的纳米颗粒层减弱了合金元素向晶界聚集的趋势，大幅削弱铸锭的元素偏析；较高的位错密度和较高的晶界取向梯度提高小角度晶界中储存的静态再结晶能量，促进静态再结晶，细化热挤压型材中的晶粒尺寸。同时，纳米颗粒钉扎具有相同取向的两个相邻晶粒之间的小角度晶界的消失和迁移，实现小角度晶界的高密度化。纳米颗粒周围的热应力使得析出相的成核位点增加，促进η'相的细化和GP区的析出。焊后热处理过程中，纳米颗粒钉扎晶界，阻碍焊核区晶粒的异常长大，使调控后焊核区由双峰晶粒构成。基于纳米颗粒对铝锌镁铜合金液固相变和固态相变的全面调控，本研究获得屈服强度高达827 MPa，塑性应变高达10.2%的热挤压型材以及屈服强度高达847MPa且具有足够塑性的连接头。主要的强化机制为晶界强化、位错强化和Orowan强化，其中Orowan强化占主导。可被位错穿越的高密度小角度晶界和GP区等“软”障碍有助于保持良好的塑性。

【作者团队介绍】

邱丰

邱丰，教授，吉林大学唐敖庆学者（领军A岗），教育部重大人才工程青年学者，吉林大学"高性能合金及复合材料创新团队"负责人。主要从事纳米介质、高性能结构材料微观组织和性能的协同调控；纳米调控金属激光焊及增材制造；合金组织控制及强韧化等制备科学与加工技术领域的教学和科研工作。承担国家自然基金（4项）、国家重点研发计划等省部级课题20余项。在Composites Part B: Engineering等材料与冶金领域期刊以第一作者和通讯作者发表SCI检索论文150余篇（ESI高被引5篇），SCI他引4000余次，H影响因子43，2020-2023年连续四年入选美国斯坦福大学和艾斯维尔联合发布的“全球前2%顶尖科学家榜单”。授权及公开发明专利50余项，第一发明人已授权发明专利32项，授权国际发明专利2项，技术转化及应用10 余项。获吉林省科学技术奖一等奖，江苏省双创人才，长春市创新创业大赛一等奖。国内外学术会议作分会邀请和主题报告20余次。担任中国材料研究学会先进凝固科学与技术分会/超声材料科学与技术分会理事，吉林省分析测试技术学会复合材料与合金测试分会副理事长。

杨宏宇，吉林大学研究员/博士生导师，主要研究方向为纳米颗粒高效强韧化合金及成型技术。第一或通讯作者在领域内重要期刊Compos. Part B-Eng.、Carbon、Int. J. Extrem. Manuf.、Compos. Part A-Appl. S.等发表SCI学术论文60余篇，其中包含ESI高被引论文4篇，影响因子大于10的论文7篇，SCI应用2200余次，H-影响因子=27；主持国家自然科学基金2项（面上、青年）和吉林省重点研发等省部级项目7项；授权发明专利17项，转化及应用11项；担任中国材料研究学会凝固科学与技术分会理事，担任International Journal of Extreme Manufacturing、特种铸造及有色合金青年编委和中国铸造装备与技术编委，在中国材料大会、第十二届亚澳复合材料大会、全国镁合金青年学术会议等重要学术会议作邀请报告10次。

来源：特铸杂志