上海交大《MD》：预处理对喷射成形Al-Zn-Mg-Cu合金组织性能影响

来源：材料科学与工程

铝合金由于比强度高，具有出色的机械性能与断裂韧性组合而广泛用于航空航天等领域。通过调控微观结构，减少偏析或多种加工方法（例如严重的塑性变形、快速凝固技术等），可以提高强度和延展性。在所有这些方法中，喷射成型（SF）作为快速凝固技术之一可以通过连续沉积雾化合金来制造大块坯料，其优点是等轴晶粒细小，偏析度低并且减少了热裂纹。因此，SF已经被认为是用于开发高强度铝合金的关键技术。对于SF技术铝合金的研究大量集中于合金设计，热变形行为和后续热处理，很少有研究关注SF铝合金在热处理过程中的显微组织稳定性以及对力学性能的相关影响。

上海交通大学等单位的研究人员探讨了喷射成形Al-Zn-Mg-Cu合金的显微组织稳定性和力学性能，热挤压前增加预处理以改善合金微观结构的稳定性，研究了预处理对合金晶粒尺寸和组织演变的影响，经预处理的合金屈服强度和抗拉强度分别提高了171MPa和143MPa，讨论了预处理后合金的强化机理。相关论文以题为“Effect of pretreatment on microstructural stability and mechanical property in a spray formed Al-Zn-Mg-Cu alloy”发表在Materials and Design。

论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.matdes.2021.109618

本研究首先制备SF铝合金坯料，将纯Al、Zn、Mg，Al-Cu和Al-Zr中间合金在993-1073K的氮气中完全熔化并雾化，雾化沉积距离为650mm，沉积后7050铝合金成分为：Al -6.52Zn -2.53Mg -2.39Cu -0.12Zr（wt%）。HH1样品未经预处理，直接挤压加工成直径10mm棒材（挤压比16，400℃，0.8mm/s），挤压后进行477℃×60min固溶（水淬），再进行120℃×24h时效（T6）；HH2样品进行300℃× 36h + 470℃× 15h预处理（水淬），挤压、固溶、时效工艺均与HH1相同。

研究表明，两种不同处理合金微观结构相似，沿挤压方向显示<001>+〈111〉纤维织构。HH1和HH2的平均晶粒尺寸分别为8.9μm和11.4μm，与常规SF工艺相比，预处理可以大大阻碍SF 7050铝合金晶粒长大，固溶处理6min后，HH1样品晶粒以长大完成并发生了静态再结晶，而HH2样品长大并不明显，表现出与挤压后相似的微观结构。经预处理后组织稳定性的提高归因于预处理引入大量弥散的Al3Zr颗粒，这些相能够钉扎位错、晶界和亚晶界，还能够优化后续人工时效的析出状态。

图1 挤压后HH1和HH2显微组织对比

(a-d) 挤压后；(e,f)固溶后

图2 HH1和HH2的晶粒尺寸分布和长宽比

(a,b)挤压后；(c,d)固溶后

图3 T6状态下挤压棒的EBSD图

合金的加工硬化行为受到预处理和时效处理的显著影响，Al3Zr颗粒是预处理对加工硬化率（WHR）影响的主要原因，时效对WHR的影响是由于析出相引起的，对位错滑移有一定阻碍作用，经预处理后的铝合金屈服强度和抗拉强度分别从512MPa和602MPa提升至683MPa和745MPa。

图4 显微组织演变

图5 (a)固溶HH1样品中的BF图像；(b)BF图像显示HH2样品中Al3Zr钉扎在晶界上；(c)HH2样品中的暗场图像；(d,e)Al3Zr的HRTEM对应的FFT图

图6 示意图显示了在预处理，热挤压和固溶处理过程中与沉淀物相关的位错演变

（a）HH1样品，（b）HH2样品

总的来说，本研究系统地探讨了SF7050铝合金的组织稳定性和力学性能，提出了新的预处理方法，显著增强了组织稳定性和力学性能，本文为设计高性能铝合金和喷射成形的进一步应用提供了理论基础。（文：破风）