張 琪，王國軍

(1.中國鋁業(yè)集團(tuán)有限公司，北京 100082； 2.東北輕合金有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150060)

1906年，Wilm首先發(fā)現(xiàn)了Al-Cu合金的沉淀硬化現(xiàn)象，從而揭開了高強(qiáng)鋁合金發(fā)展的序幕[1]。1923年，Sander和Meissner又發(fā)現(xiàn)Al-Zn-Mg合金通過淬火和人工時效處理后，形成的主要強(qiáng)化相MgZn2的沉淀硬化效果更加顯著，因此發(fā)展出了一系列高強(qiáng)鋁合金[1-2]。近百年來，鋁合金的強(qiáng)化一直是一個研究熱點。經(jīng)過幾代的發(fā)展，目前已商業(yè)應(yīng)用的航空高強(qiáng)鋁合金包括500 N/mm2強(qiáng)度級的7075、7050鋁合金與600 N/mm2強(qiáng)度級的7150、7055鋁合金等。十三五期間，以中鋁集團(tuán)東北輕合金有限責(zé)任公司、西南鋁業(yè)(集團(tuán))公司為代表的研發(fā)團(tuán)隊在工程化應(yīng)用領(lǐng)域解決了三代半和四代鋁合金強(qiáng)度和韌性匹配，強(qiáng)度與疲勞性能、腐蝕性能兼顧的問題。晶內(nèi)高密度、細(xì)小、彌散的析出相是該類合金獲得高強(qiáng)度的主要組織特征[3-4]，同時通過強(qiáng)變形加工、分級固溶、多級時效等措施，調(diào)控晶界相分布和形貌，可以使該類合金獲得較好的強(qiáng)度、韌性及耐蝕性的匹配[4-5]。

近年來，研究者通過提高合金化程度、微合金化、晶粒細(xì)化、增加第二相陶瓷顆粒、多層級微觀組織構(gòu)筑等手段，不斷提升鋁合金的強(qiáng)度。如通過提高合金化程度，可以將鋁合金的抗拉強(qiáng)度提升至800 N/mm2[6-8]；通過添加第二相納米顆?；蚨鄬蛹壖{米級微觀組織構(gòu)筑，可以使鋁合金的抗拉強(qiáng)度提升至1 000 N/mm2[9-11]。同時研究者通過透射電鏡(TEM)、高分辨電鏡(HRTEM)及原子探針(APT)等現(xiàn)代化分析手段，對超高強(qiáng)鋁合金的微觀組織和強(qiáng)化機(jī)制進(jìn)行了分析。盡管目前實驗室制備800 N/mm2以上強(qiáng)度級鋁合金強(qiáng)塑性匹配性還不令人滿意，對該類材料的韌性、耐蝕性、疲勞性能等還缺乏研究，但超高強(qiáng)鋁合金的微觀組織設(shè)計思路及強(qiáng)化機(jī)制的研究結(jié)果仍可為相關(guān)工程材料的設(shè)計開發(fā)提供有益的借鑒和指導(dǎo)。

1 超高強(qiáng)鋁合金的微觀組織設(shè)計思想

1.1 高合金化設(shè)計

傳統(tǒng)高強(qiáng)7×××系鋁合金主要通過時效過程中生成的MgZn2非平衡相進(jìn)行強(qiáng)化。因此超高強(qiáng)鋁合金的微觀組織設(shè)計思路之一是通過增加主合金元素含量，提升MgZn2非平衡相的體積分?jǐn)?shù)，實現(xiàn)強(qiáng)度的大幅度提升[12]。在目前常用的7×××(Al-Zn-Mg-Cu系)合金中，w(Zn)的范圍一般在6.0%～8.5%，w(Mg)一般在1.2%～2.5%之間。近年來注冊的7136和7056鋁合金中，w(Zn)的上限已達(dá)到9.7%。由于受技術(shù)與裝備的限制，一般采用半連續(xù)鑄造生產(chǎn)的7×××系鋁合金的合金化元素Zn、Mg和Cu的質(zhì)量分?jǐn)?shù)之和應(yīng)小于14%[13]。噴射成形工藝由于具有較高的冷卻速度，對于制備高合金元素的7×××鋁合金具有一定優(yōu)勢[14]。目前800 N/mm2以上強(qiáng)度級的Al-Zn-Mg-Cu合金一般采用噴射成形工藝制備。同時，為了提升MgZn2強(qiáng)化相的含量，w(Zn)一般超過10%，w(Mg)超過2.5%[6-8]。

研究結(jié)果表明，在w(Zn)/w(Mg)比值變化不大的情況下，高的Zn、Mg含量不會改變MgZn2相的析出序列和形貌，但可以大大增加非平衡相MgZn2的體積分?jǐn)?shù)[7]，因此通過提高合金化程度獲得的超高強(qiáng)鋁合金的微觀組織特征與傳統(tǒng)高強(qiáng)7×××系鋁合金無本質(zhì)區(qū)別，本文不再贅述。

1.2 納米顆粒復(fù)合設(shè)計

鋁基體加入第二相陶瓷顆粒后，一方面通過載荷傳遞機(jī)制和Orowan強(qiáng)化機(jī)制提升強(qiáng)度，另一方面增強(qiáng)相也會細(xì)化基體晶粒組織，同時在塑性變形中增加“幾何必須位錯”提升強(qiáng)度。陶瓷顆粒尺寸越小，基體晶粒細(xì)化效果和Orowan強(qiáng)化機(jī)制作用越明顯，強(qiáng)化效果越好[15]。因此通過納米顆粒復(fù)合也是高強(qiáng)鋁合金的設(shè)計思路之一。

使納米顆粒在鋁基體中均勻分散是制備納米顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的難點[16]。近年來，研究者通過高能球磨、超聲分散、3D打印等工藝，實現(xiàn)了納米顆粒的均勻分布，制備了800 N/mm2以上強(qiáng)度級的納米顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。Zhang等人[10]通過低溫球磨方法制備了納米B4C顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，其中B4C顆粒的平均尺寸為38 nm。通過低溫球磨方式成功將體積分?jǐn)?shù)為5%的納米B4C顆粒均勻分布于鋁基體中，并實現(xiàn)了基體鋁晶粒的納米化。經(jīng)過熱等靜壓和熱擠壓后，鋁基體的平均晶粒尺寸為115 nm。Ye等人[9,17]通過低溫球磨+冷等靜壓+擠壓的工藝，制備了一種超高強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。該材料具有“三模態(tài)”的復(fù)合微觀組織結(jié)構(gòu)，組織中含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的B4C顆粒、50%的粗晶5083鋁合金組織，剩余為納米晶5083鋁合金組織。其中平均尺寸為800 nm的B4C顆粒均勻分布在納米晶區(qū)域，納米晶區(qū)晶粒的平均尺寸為165 nm，粗晶區(qū)的晶粒平均尺寸為860 nm；納米晶區(qū)和粗晶區(qū)混雜分布，如圖1所示。

圖1 采用低溫球磨制備的“三模態(tài)”的鋁基復(fù)合材料微觀組織結(jié)構(gòu)[17]Fig.1 Microstructure of a tri-modal aluminum matrix composite produced by cryomilling

近年來，Lin等人[18]在高強(qiáng)鋁基復(fù)合材料增材制造方面取得突破，研究者通過特殊的增材制造工藝，實現(xiàn)了體積分?jǐn)?shù)為35%的納米TiC在鋁基體內(nèi)的均勻分布。其中TiC顆粒的平均尺寸為159 nm，鋁基體的平均晶粒尺寸為331 nm。

1.3 多級次納米結(jié)構(gòu)設(shè)計(Hierarchical nanostructured)

Peter等人[11]將商用7075鋁合金固溶后進(jìn)行高壓扭轉(zhuǎn)處理，獲得了一種可以達(dá)到超高強(qiáng)度(1 000 N/mm2)的鋁合金多級次納米結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)的主要組織特征包括：溶質(zhì)原子充分固溶；晶內(nèi)分布高密度位錯，位錯密度為3.2×1016(個·m-2)；平均晶粒尺寸26 nm；晶內(nèi)存在亞納米尺寸的原子團(tuán)簇；晶界存在兩種尺寸的納米溶質(zhì)團(tuán)簇結(jié)構(gòu)單元。原子探針分析表明，線狀的納米溶質(zhì)團(tuán)簇結(jié)構(gòu)單元易于在低角度晶界形成，如圖2所示。

圖2 采用高壓扭轉(zhuǎn)制備的7075鋁合金多級次納米結(jié)構(gòu)Fig.2 Nanostructural hierarchy of 7075 aluminum alloy produced by high pressure torsion

近年來，香港城市大學(xué)呂堅研究團(tuán)隊[19]采用磁控濺射方法制備了一種具備高強(qiáng)高塑特征多層級納米鋁合金結(jié)構(gòu)。該合金的名義成分為Al-2Ni-3Y(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)，材料中基本納米晶結(jié)構(gòu)單元的寬度約40 nm，長度約100 nm，每個結(jié)構(gòu)單元中包含2～3個納米晶粒。與傳統(tǒng)納米晶合金不同，每個結(jié)構(gòu)單元之間不是傳統(tǒng)的晶界，而是厚度約4 nm的非晶層。定量分析表明，納米結(jié)構(gòu)單元主要成分為純鋁，體積分?jǐn)?shù)占80%左右；非晶層的成分為Al-8Ni-12Y(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)，體積分?jǐn)?shù)約占25%。參見圖3。

圖3 采用磁控濺射制備的Al-2Ni-3Y鋁合金多級次納米結(jié)構(gòu)Fig.3 Nanostructural hierarchy of Al-2Ni-3Y aluminum alloy produced by magnetron sputtering

2 超高強(qiáng)鋁合金力學(xué)性能和強(qiáng)化機(jī)制

表1和圖4歸納了采用不同微觀組織設(shè)計思路制備的鋁合金、鋁基復(fù)合材料的力學(xué)性能?？梢钥闯觯捎脟娚涑练e制備的高鋅7×××鋁合金的屈服強(qiáng)度難以超過800 N/mm2，抗拉強(qiáng)度難以超過850 N/mm2，伸長率為7%～10%。相比典型第四代航空鋁合金，強(qiáng)度雖然有所提升，但伸長率卻有所下降(圖4)。此前的研究也表明，時效強(qiáng)化機(jī)制作用的鋁合金的屈服強(qiáng)度上限約700 N/mm2[11,20-22]。采用噴射成形制備的高鋅7×××鋁合金的強(qiáng)化機(jī)制除傳統(tǒng)的時效強(qiáng)化外，還存在細(xì)晶強(qiáng)化、第二相強(qiáng)化等強(qiáng)化機(jī)制，因此強(qiáng)度可提升至800 N/mm2級。

圖4 不同微觀組織設(shè)計思路制備的鋁合金、鋁基復(fù)合材料的力學(xué)性能對比Fig.4 Comparison of mechanical properties of aluminum alloy and aluminum matrix composite produced via different microstructure design ideas

表1 不同微觀組織設(shè)計思路制備鋁合金、鋁基復(fù)合材料的力學(xué)性能數(shù)據(jù)Table 1 Mechanical properties of aluminum alloy and aluminum matrix composite produced via different microstructure design ideas

對于采用納米顆粒復(fù)合設(shè)計思路制備的鋁基復(fù)合材料，通過大量納米增強(qiáng)相的加入，可以使材料的強(qiáng)度提升至900 N/mm2，甚至1 000 N/mm2，但由于大量增強(qiáng)相的引入，出現(xiàn)了大量增強(qiáng)相與基體的界面，同時該類界面與基體完全不共格，對基體變形將產(chǎn)生極大的約束作用，在變形時將產(chǎn)生大量“幾何必須位錯”[15]，同時為了將納米顆粒均勻分散于基體中，往往需要采用高能球磨的方式，這樣將在基體中引入大量氮氧化物等雜質(zhì)[10]，導(dǎo)致材料的變形能力極差，甚至只能采用壓縮試驗方式，才能測得強(qiáng)度性能。

根據(jù)以上分析，采用高合金化設(shè)計思路和納米顆粒復(fù)合設(shè)計思路制備的鋁合金、鋁基復(fù)合材料很難擺脫強(qiáng)度-塑性“倒置”關(guān)系。近年來，研究者通過探索新的強(qiáng)化機(jī)制，試圖在擺脫鋁合金強(qiáng)度-塑性“倒置”關(guān)系方面取得突破。具有多級次納米結(jié)構(gòu)的鋁合金材料表現(xiàn)出來的較好的強(qiáng)塑性匹配為研究者提供了新的思路。如采用高壓扭轉(zhuǎn)制備的7075鋁合金材料的抗拉強(qiáng)度可達(dá)1 050 N/mm2，同時伸長率為5%。微觀組織分析表明，高的強(qiáng)度并非來源于傳統(tǒng)的時效強(qiáng)化，而是來自高密度的位錯結(jié)構(gòu)和不同形式的晶內(nèi)和晶界原子團(tuán)簇。此外，作者認(rèn)為，晶內(nèi)的原子團(tuán)簇可以增加位錯存儲能力，晶界處的原子團(tuán)簇可以阻礙位錯在晶界處形成，有利于塑性的提升。

近期，香港城市大學(xué)呂堅研究團(tuán)隊[19]采用磁控濺射方法制備了鋁合金Al-2Ni-3Y的抗拉強(qiáng)度達(dá)到1 200 N/mm2，伸長率達(dá)到16.5%。作者認(rèn)為，高強(qiáng)度主要是因為納米晶粒之間的納米非晶層可以有效阻礙位錯從一個納米晶粒向另一個納米晶粒傳播。另外，在變形過程中，當(dāng)納米晶粒內(nèi)的位錯滑移至變形的納米非晶層時，會發(fā)生湮滅。納米晶粒中連續(xù)的“過渡位錯”產(chǎn)生-移動-湮滅和納米級金屬玻璃相的本征塑性流動是導(dǎo)致高伸長率的主要原因。

3 結(jié)束語

盡管目前關(guān)于800 N/mm2以上級超高強(qiáng)鋁合金的研究在極限強(qiáng)度、強(qiáng)塑性匹配方面取得了一些突破，但距離工程應(yīng)用尚有距離，急需顛覆與突破。如采用噴射成形制備的800 N/mm2級鋁合金在腐蝕性能、疲勞性能、大規(guī)格產(chǎn)品批量制備等方面還需要研究，通過多級次納米結(jié)構(gòu)設(shè)計制備的鋁合金樣品尺寸停留在毫米甚至微米量級，對于其他力學(xué)性能還缺乏考察和認(rèn)識。盡管如此，關(guān)于超高強(qiáng)鋁合金的研究對于加深對鋁合金強(qiáng)化機(jī)制、強(qiáng)韌性匹配的理解仍具有積極意義。工程界技術(shù)人員應(yīng)秉持開放、包容的心態(tài)，從重大產(chǎn)業(yè)需求出發(fā)，及時了解、理解相關(guān)研究進(jìn)展，并將相關(guān)微觀組織設(shè)計思路積極應(yīng)用于新一代高強(qiáng)鋁合金開發(fā)過程中，加快新一代高強(qiáng)鋁合金的工程化應(yīng)用進(jìn)程。