編輯推薦：本文通過高壓扭轉和粉末冶金相結合的方法，制備了近1GPa超高抗拉強度鋁合金，強化機制包括納米晶/亞晶粒晶界強化和納米級氧化物顆粒及S'/ S析出物二次相強化。這在很大程度上擴展了鋁合金強度極限，為設計超強鋁合金提供了有效途徑。

納米晶鋁合金的生產技術可分為兩類，包括粉末冶金等“自下而上”的方法和以劇烈塑性變形（SPD）為代表的“自上而下”的方法。對于粉末冶金方法，可以通過機械研磨成功地獲得納米晶粉末。然而，粉末通常需要在高溫下固結以獲得致密的塊狀材料，這將導致晶粒粗化。劇烈塑性變形工藝中，高壓扭轉（HPT）是晶粒細化最吸引人的方法之一，因為它可提供最大的施加應變，但晶粒尺寸的進一步減小將會受到限制。

減小晶粒尺寸的一種有希望的方法是在金屬粉末上應用高壓扭轉。粉末表面的氧化物層會通過塑性變形而破碎成分散的氧化物顆粒，然后限制高壓扭轉過程中的動態回復和隨后時效處理過程中的晶粒長大，從而進一步細化晶粒，提高硬度或強度。此外，結合到鋁合金中的附加氧化物顆粒可以充當另一種增強組分，與晶界和析出物一起形成多層次結構以進一步提高強度。

在本研究中，通過結合粉末冶金和高壓扭轉來提高時效硬化鋁合金的強度。論文以廣泛用作時效硬化鋁合金的商用2024鋁合金為例，所獲得的多層次納米結構2024鋁合金表現出非常高的抗拉強度，接近1 GPa。相關論文以題為“Achieving ultrahigh tensile strength of 1 GPa in a hierarchical nanostructured 2024 Al alloy”發表在Materials Science and Engineering A。

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0921509320306547

本工作先通過高壓扭轉制備多層次的納米結構2024鋁合金，然后使用預燒結粉末進行自然時效處理。粉末引入的氧化物顆粒不僅在HPT工藝中將Al晶粒細化為115 nm，將亞晶粒細化為36 nm，而且均勻地分布在基體中，并作為二次強化相。隨后的自然時效導致納米晶中出現了6-16 nm長的針狀S'/ S沉淀物。包括納米級晶粒/亞晶粒晶界硬化和納米級氧化物顆粒和S'/ S析出物二次相強化在內的多重強化效果，導致了934 MPa的超高屈服強度，抗拉強度達到992 MPa 。

圖1 工藝路線圖

圖2（a）在不同加工條件下試樣的工程應力-應變曲線；（b）屈服強度與總伸長率的關系

研究表明，納米晶粒/亞晶粒包含均勻分布的Cu，Mg和O元素。O元素的均勻分布表明，沿粉末邊界的氧化膜被高壓扭轉破碎成細小顆粒，然后均勻地分布在基體中，這在粉末冶金和高壓扭轉結合制備的其他合金中也有報道。源自氧化物層的這種氧化物顆粒將主要是氧化鋁。在初始加工階段摻入的細氧化物分散體會在高應變下的高壓扭轉過程中延遲回復，從而導致更細的亞晶粒。因此，本工作中，極高密度的亞晶界被認為是由粉末冶金和高壓扭轉結合產生的。（文：33）

圖3 高倍率下自然時效的高壓扭轉試樣微觀結構

圖4（a）自然時效試樣中析出分布和（b）晶體結構