同时提高强度和塑性！吉林大学提出一种新型铝合金结构

强度和塑性一直是材料科学家希望解决的矛盾问题，本文提出了一种新颖的方法同时提高了铝合金的强塑性，与叠轧的TiCp/Al-Mg-Si复合材料相比，获得的合金屈服强度由380 MPa增加至443 MPa，均匀伸长率由5.0％增加至6.4％，为开发和研究利用纳米颗粒设计和制备异质结构提供了新的技术途径。

在颗粒增强铝基复合材料中，纳米颗粒可以显著提高基体合金的强度，甚至改善其塑性。然而，当颗粒含量较高时，如何均匀分散纳米颗粒仍旧是此领域中的难题之一。大量工作表明大塑性变形可以改善颗粒分散，并且纳米颗粒可以有效地细化铝合金晶粒结构并对析出相产生细化作用，为利用纳米颗粒的分散来设计新型微观异质结构并改善铝合金基体的机械性能提供了新思路。

近期，吉林大学姜启川教授（通讯作者），赵庆龙副教授（通讯作者）等通过中间合金铸造法和累积叠轧工艺成功的在铝合金中制备了新型的异质分层结构。与传统的叠轧纳米颗粒增强Al-Mg-Si复合材料相比，复合叠轧的Al-Mg-Si合金/纳米复合材料同时提高了基体铝合金的强度与塑性。相关成果以“Simultaneouslyincreased strength and ductility via the hierarchically heterogeneous structureof Al-Mg-Si alloys/nanocomposite”为题发表在Materials Research Letters，该论文第一作者为博士生庚润。

论文链接：

https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/21663831.2020.1744759

作者以Al-Mg-Si合金为基体合金，通过中间合金铸造法将原位合成的纳米TiC颗粒加入到基体合金中。随后，将基体合金的冷轧板材与纳米TiC颗粒增强复合材料冷轧板材进行复合累积叠轧。最终获得了具有32层的复合叠轧板材，形成多层异质结构。基体层与复合材料层形成双尺寸晶粒结构，同时，基体层析出相尺寸要大于复合材料层的析出相尺寸。

图1 复合叠轧板材EBSD组织图及EDS图；颗粒富集区（PRZ）；颗粒分散区（PDZ）

图2  复合叠轧板材颗粒分散区TEM组织观察及析出相尺寸统计

图3  复合叠轧板材颗粒富集区，近颗粒区域及远颗粒区域TEM组织观察及析出相尺寸统计

室温拉伸结果表明，复合叠轧得板材具有最高的拉伸强度，并且与传统累积叠轧的复合材料相比，强度和塑性同时得到了提升。与叠轧的TiCp/Al-Mg-Si复合材料相比，Al-Mg-Si合金/纳米复合材料的屈服强度由380 MPa增加至443 MPa，均匀伸长率由5.0％增加至6.4％。通过分析表明，复合叠轧的材料中，由于基体层的引入，使得不同层具有不同的强塑性。由于变形能力不同，会引入额外的剪切力，更加有利于纳米颗粒的定向分散。附件针对拉伸强度的各向异性现象建立了模型，该模型适用于具有类似结构的纳米颗粒增强铝基复合材料。

最终，具有层状分布的TiC纳米颗粒（TiCp），双峰尺寸的晶粒和析出相的新型异质结构提供了较高的强度，并改善了由于颗粒难分散问题产生塑性降低问题。本文对开发和研究利用纳米颗粒设计和制备异质结构提供了新的技术途径。

图4 MTS拉伸曲线

图5 (a), (b)传统叠轧的复合材料中的纳米颗粒分散情况；(c), (d)复合叠轧的材料中纳米颗粒分散情况

图6 额外引入剪切力示意图

图7 新型异质分层结构示意图

总的来说，本文提出了一种新颖的方法来设计和制造一种多层陶瓷颗粒强韧复合构型，从而同时提高铝合金的强塑性，通过累积叠轧成功地在Al-Mg-Si基体合金与TiCp/Al-Mg-Si复合材料的叠层复合材料中，获得了具有层状分布的TiC纳米颗粒、双峰尺寸的晶粒和析出相。