北航《Scripta Mater》：强塑性明显提高！块状纳米结构铝硅合金

许多低溶合金元素对于改变金属材料的一些重要性能至关重要，例如可铸性、抗蠕变性或热稳定性。由于有限的溶解度，可能导致应力集中使得延展性较差，这些元素的添加通常会导致不均匀的溶质分布或析出硬化。在处理这些问题时，微观结构细化已被视为提高机械性能的有效解决方案。一方面，将微观结构细化到亚微米或纳米级可以显着提高强度；另一方面，当粗相被细化为均匀分布的纳米颗粒时，脆性第二相上的应力集中可以大大降低，因此延展性可能会提高。然而，此类材料的微观结构细化和机械性能改进非常具有挑战性。例如铝硅合金中，Si在Al中的低溶解度（<1.6%）不仅导致强度不足和延展性低，还阻碍通过常规方法对Al-Si合金进行细化和改善机械性能，这已经成为限制Al-Si合金发展的主要问题之一。

来自北京航空航天大学、燕山大学的研究人员将高压固溶处理（HPST）和高压扭转（HPT）应用于亚共晶Al-Si合金，获得了块状纳米结构亚共晶Al-Si合金，超细铝基体晶粒、硅纳米第二相粒子、硅溶质和位错对强度有很大贡献，最终纳米结构的Al-Si合金具有403MPa的高屈服强度和32%的大伸长率。相关论文以题为“Bulk nanostructured Al-Si alloy with remarkable improvement in strength and ductility”发表在Scripta Materialia。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2021.113970

本文使用的合金成分为Al-7Si，HPST为700℃在6GPa下固溶1h（水冷），固溶后在室温6GPa扭转5转进行HPT，另有单独进行HPST或HPT的试样用于对比分析。研究发现单独HPT和HPST处理试样的硬度基本持平，将铸态试样硬度从约60HV提高至约100HV，而HPST+HPT硬度最高增加至约160HV。经HPST+HPT处理，Al晶粒尺寸细化到亚微米级，平均晶粒尺寸为300nm，大多数Si第二相直径只有约10nm。

图1 合金制备工艺图以及不同处理后合金的硬度和XRD结果

图2 不同处理条件下合金的微观组织(a, b)铸态组织；(c, d)HPT处理后的组织；(e, f)铸态和HPT试样中Si的长度和宽度分布；(g,h) HPT处理后的光学显微组织和TEM图

图3 HPST+HPT处理后试件的微观结构和Si第二相尺寸分布

经HPST处理的试样显示出高延展性（伸长率达38%），HPST能够使脆性硅片溶解，硅片是应变过程中开裂的主要原因之一，所以伸长率高。HPST+HPT试样最高达到403MPa的屈服强度和32%的伸长率。经分析计算，82MPa是晶界强化作用，占整体强度的20%左右；Si第二相提供的强化约213MPa，占整体强度的50%；除此之外还有Al基体中固溶的Si溶质和HPT产生的位错强化作用，也有助于提升屈服强度。

图4 不同处理条件下的应力-应变曲线以及HPST+HPT处理的拉伸试样截面应变的局部分布

图5在不同处理条件下的断口形貌 (a)铸态；(b)HPT；(c)HPST；(d) HPST+HPT

本文提出一种新的工艺路线，通过HPST+HPT能够制备超细铝晶粒和硅纳米第二相组成的块状纳米结构铝硅合金，纳米结构铝硅合金表现出超高屈服强度（超高400MPa）和延展性（伸长率超过30%），本文为获得良好机械性能的块状纳米机构铝硅合金提供了一种新方法，有望进一步扩大铝硅合金的应用范围。（文：破风）