導讀：本文提出了一種新穎的兩步路線成功應用于亞共晶Al-Si合金。首先在超高等靜壓下通過固溶處理制備的Al-Si單相合金，然后進行高壓扭轉，首次獲得塊體納米結構的亞共晶Al-Si合金。超細的Al晶粒，Si納米顆粒，固溶的Si溶質和位錯極大地提高了屈服強度。同時，通過將Si細化到納米級，避免了常見的Al-Si合金中微米級Si相的脆性斷裂和延展性顯著增強。因此，納米結構的Al-Si合金表現出403MPa的高屈服強度和32％的大的總伸長率。這項工作為實現具有低可溶性成分的整體納米結構合金提供了一種有前途的方法。

許多低溶性合金元素對于改變金屬材料的某些重要性能至關重要，例如可鑄性，抗蠕變性或熱穩定性。不幸的是，這些元素的加入通常會導致溶質/沉淀硬化不足，因為溶解度有限，或者由于應力集中在難以溶解在基體中的粗的二次相上，導致塑性較差。在解決這些問題時，微結構細化已被視為改善機械性能的有效解決方案。一方面，將組織細化至亞微米或納米水平可以顯著提高強度。另一方面，當將粗相細化為均勻分布的納米粒子時，可以大大降低脆性第二相上的應力集中，因此延展性可能得到改善。然而，組織細化以及這些材料的機械性能的改善可以非常具有挑戰性的。

在超高壓技術（≥1GPa）的發展已經表明，等靜壓力可以作為一個熱力學參數起作用來改變相圖。具體而言，在9 GPa時，Si在Al基體中的溶解度可有效提高至18 at％ 。這提供了獲得高Si濃度的Al-Si固溶體的途徑，并增加了將高壓固溶處理（HPST）與SPD結合使用以處理塊狀納米結構材料的可能性與低可溶性元素。

在這項工作中，北京航空航天大學科研人員通過HPST和高壓扭轉（HPT，主要的SPD方法之一）成功地實現了由Si納米顆粒增強的UFG鋁合金。注意HPST中的壓力是熱力學參數，而HPT中的塑性變形則是應變。HPST + HPT兩步路線實現了Al和Si相的同時細化，大大提高了強度和延展性。相關研究成果以題“Bulk nanostructured Al-Si alloy with remarkable improvement in strength and ductility”發表在國際著名期刊 Scripta Materialia。

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359646221002505

通過使用高純度的Al和Si（≥99.99wt％）進行鑄造來制備Al-7 wt％Si合金。將鋁硅錠加工成圓柱狀試樣（Φ10×12毫米），然后在6 GPa下于700°C（Al-Si合金的熔化溫度隨壓力升高而升高）進行1小時的HPST處理，然后使用CS-IB型立方砧高壓設備進行水冷。隨后，將標本切成薄片（Φ10×0.8毫米），并在室溫下經過5圈旋轉以承受6 GPa以下的HPT。HPST + HPT處理歷史記錄在圖1（a）中進行了示意性說明。此外，還提供了一步處理的標本（HPST或HPT）以進行比較。

與鑄態，HPT和HPST試樣的硬度相比，圖1（b）中顯示了相對于HPST + HPT試樣離圓盤中心距離的顯微硬度。HPT和HPST + HPT標本的硬度值趨于穩定水平，表明已達到飽和狀態。HPT或HPST將鑄態試樣的硬度從60 HV顯著提高到100 HV。在HPST + HPT之后，硬度甚至增加到160 HV。

圖1.（a）塊狀納米結構Al-Si合金的加工歷史示意圖。AP表示大氣壓，WQ表示水淬。（b）通過不同途徑處理的樣品的維氏硬度。（c）在不同加工條件下樣品的XRD曲線。（d）用箭頭表示的（c）中不同樣品的Si {111}峰的放大圖。

圖2. 樣品在不同條件下的微觀結構。（ab）鑄態試樣的光學顯微照片。（cd）HPT處理過的樣品的光學顯微照片。（e）鑄態和HPT處理的樣品中Si的長度和（f）寬度分布。（g）經HPST處理的樣品的光學顯微照片和（h）TEM亮場圖像。在（h）中插入了相應的SAED模式。

圖3. HPST + HPT處理的樣品的微觀結構。（a）TEM亮場圖像和（b）使用低放大倍率的Si {111}反射的相應暗場圖像。該衍射圖案被插入的（a）。（c）使用Si {111}反射獲得的與（c）中的正方形區域相對應的Al晶粒的放大的明場圖像和（d）暗場圖像。（e）Al晶粒和（f）Si顆粒的尺寸分布。（g）沿[001] Al區域軸截取的Al晶粒的SAED圖案。（h）對于其中Si的取向與Al相同的Al-Si合金，沿著[001] Al區域軸的衍射圖的示意圖。

試樣在不同條件下的拉伸應力-應變曲線繪制在圖4（a）中。HPT將鑄態試樣的屈服強度從60 MPa提高到173 MPa。同時，總伸長率從5％增加到22％。強度的增加可以通過HPT和變形引起的Si沉淀物從晶粒細化引起。伸長率的提高可能是由于共晶Si從三維互連薄片破碎成隨機分布的顆粒而引起的。HPT破壞了Si的互連并縮短了Si相的長度，從而降低了開裂的趨勢。此外，由于硅顆粒分布更均勻，因此在HPT處理的樣品中微裂紋的連接受到了阻礙。因此，HPT處理過的樣品的延展性提高了。

圖4. （a）在不同加工條件下試樣的拉伸應力-應變曲線。（b）在通過HPST + HPT處理的拉伸試樣的標距部分中，von-Mises應變的局部分布。（c）對應于（b）中位置A到B的應變分布的線輪廓。

圖5. 樣品在不同加工條件下的斷裂面。（a）鑄態的。（b）HPT。（c）HPST。（d）HPST + HPT。

總之，通過包括HPST和隨后的HPT在內的新穎的加工方法成功地制備了由超細Al晶粒和Si納米顆粒組成的塊狀納米Al-Si合金。納米結構的Al-Si合金具有超過400 MPa的超高屈服強度和32％的大伸長率。UFG Al，Si納米顆粒，富集的Si溶質和位錯極大地提高了屈服強度。同時，通過將硅相細化至納米級，避免了粗大的硅相的脆性斷裂，并顯著提高了延展性。這項工作為獲得具有良好機械性能的塊狀納米結構Al-Si合金提供了一種新方法。