導(dǎo)讀：中心偏析和帶狀晶間偏析（B-IGS）應(yīng)得到良好控制，以提高雙輥鑄造（TRC）鋁合金的機(jī)械性能，特別是對(duì)于具有高凝固間隔的合金。本工作利用Al-5Ti-B晶粒細(xì)化劑和Ti、Zr、Sc微合金元素設(shè)計(jì)了一種協(xié)同晶粒細(xì)化策略，同時(shí)控制TRC鋁-鋅-鎂-銅合金的中心偏析和B-IGS。隨著晶粒尺寸的減小，中心偏析缺陷被消除并轉(zhuǎn)化為分散的B-IGS缺陷;同時(shí)，B-IGS的寬度和長(zhǎng)度也減少了。此外， 由于弱剪切誘導(dǎo)膨脹效應(yīng)， 合金元素沿厚度方向的宏觀分布變得更加均勻.控制良好的多尺度偏析提高了合金宏觀組織的均勻性，加速了晶相的再溶解，分散了聚集殘余相，細(xì)化了T6狀態(tài)下的晶粒。因此，T6狀態(tài)下合金的強(qiáng)度和延展性同時(shí)提高，硬度沿厚度方向分布更加均勻。此外，還闡明了偏析演變以及強(qiáng)度和延性增強(qiáng)的潛在機(jī)制。本工作為TRC有效控制多尺度偏析和生產(chǎn)具有高凝固間隔的高性能鋁合金提供了一種新的策略。

Al-Zn-Mg-Cu合金因其密度低、強(qiáng)度高、抗疲勞性好、焊接性能優(yōu)異等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空航天和汽車工業(yè)。與傳統(tǒng)的鋁合金制造工藝相比， 雙輥鑄造 （TRC） 是一種近凈成形技術(shù)，可以顯著縮短鋁帶的制造時(shí)間。然而，在TRC過(guò)程中，鋁帶中通常形成宏觀中心偏析缺陷，它們表現(xiàn)為具有連續(xù)通道形狀或不連續(xù)塊狀的粗共晶區(qū)。隨著凝固間隔和溶質(zhì)含量的增加，中心偏析程度變得嚴(yán)重。中心偏析難以通過(guò)均質(zhì)消除，對(duì)鋁合金的機(jī)械性能有害;因此，TRC主要用于合金元素含量低的1xxx，3xxx和8xxx鋁合金。因此，應(yīng)有效控制中心偏析，以制備具有高凝固間隔和溶質(zhì)含量的TRC鋁合金，如Al-Mg-Si，Al-Cu和Al-Zn-Mg-Cu合金。

TRC合金中的中心偏析可以通過(guò)控制TRC參數(shù)，施加外部物理場(chǎng)以及通過(guò)微合金元素，納米顆粒和晶粒細(xì)化劑精煉晶粒來(lái)緩解。.TRC期間的液腔深度可以通過(guò)改變鑄軋參數(shù)和控制中心偏析程度來(lái)改變。然而，在高溶質(zhì)含量的鋁合金中，僅通過(guò)調(diào)整TRC參數(shù)很難消除中心偏析缺陷。Li等和He等研究了電磁振蕩場(chǎng)對(duì)溶質(zhì)含量和凝固間隔較高的TRC Al-Mg-Si和Al-Cu-Li合金的影響，發(fā)現(xiàn)在電磁振蕩場(chǎng)的作用下，合金的微觀組織和非平衡共晶相明顯細(xì)化，抑制了中心偏析。然而，Al-Zn-Mg-Cu合金由于其更高的凝固間隔和溶質(zhì)含量，在電磁振蕩場(chǎng)的存在下遭受中心偏析。有研究報(bào)道微量合金元素和納米顆粒的添加可以有效緩解TRC鋁合金的中心偏析，這主要是由于有效的晶粒細(xì)化。因此，可以推斷晶粒細(xì)化是消除TRC鋁合金中心偏析的重要策略。然而，Al-Zn-Mg-Cu合金中晶粒細(xì)化與中心偏析之間的關(guān)系仍未闡明。

帶狀晶間偏析（B-IGS）是TRC鋁合金中另一種典型的偏析缺陷，隨著鑄造軋制力逐漸施加到半固體區(qū)域的晶體上，它有助于剪切誘導(dǎo)膨脹（SID）。據(jù)報(bào)道，富含溶質(zhì)的液體在枝晶通道中的宏觀流動(dòng)進(jìn)一步加劇了B-IGS。與中心偏析類似，B-IGS隨著凝固間隔和溶質(zhì)含量的增加而變得更加突出。B-IGS中粗第二相的存在增加了溶解共晶相所需的均質(zhì)化時(shí)間，也使不溶相的分布更加集中。因此，應(yīng)很好地控制B-IGS以制備具有優(yōu)異力學(xué)性能的TRC Al-Zn-Mg-Cu合金。

因此，東北大學(xué)許光明教授團(tuán)隊(duì)對(duì)此進(jìn)行了研究。先前關(guān)于半固體材料SID的研究表明，隨著晶粒細(xì)化程度的增加，膨脹量減小。因此，TRC Al-Zn-Mg-Cu合金中的中心偏析和B-IGS可以通過(guò)調(diào)整晶粒尺寸同時(shí)控制。然而，中心偏析和B-IGS對(duì)晶粒尺寸的依賴性以及這些偏析缺陷對(duì)TRC Al-Zn-Mg-Cu合金強(qiáng)度和延展性的影響尚不清楚。本工作基于協(xié)同偏析控制策略設(shè)計(jì)了一系列不同晶粒尺寸的TRC Al-Zn-Mg-Cu合金。探討了晶粒尺寸對(duì)合金偏析行為、組織和力學(xué)性能的影響。本工作為同時(shí)控制中心偏析和B-IGS以及利用TRC生產(chǎn)具有優(yōu)異力學(xué)性能的Al-Zn-Mg-Cu合金提供了一種有效的策略。相關(guān)研究成果以題為“Strength and ductility enhancement of twin-roll cast Al-Zn-Mg-Cu alloys with high solidification intervals through a synergistic segregation-controlling strategy”發(fā)表在Journal of Materials Science & Technology上。

鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S100503022200785X

圖 1 四種TRC合金表面和中心的鑄造晶粒分布：（a-d）表面，（e-h）中心，（a，e）合金A，（b，f）合金B(yǎng)，（c，g）合金C，（d，h）合金D。

圖 2 四種TRC鋁-鋅-鎂-銅合金在厚度方向上不同位置的偏析分布：（a1–d1） 表面，（a2–d2） 距表面 1/4 位置，（a3–d3） 中心;（一1–一個(gè)3） 合金 A，（b1–b3） 合金 B，（c1–c3） 合金 C，（d1–d3） 合金 D。

圖 3 不同合金中 B-IGS 缺陷的 （a） 寬度和 （b） 長(zhǎng)度的統(tǒng)計(jì)結(jié)果， 歸一化厚度是指位置與帶材下表面之間的距離與全厚度 （0-1） 之比 （8 mm）.

圖 4 四種TRC合金中合金元素沿厚度方向的分布：（a）合金A，（b）合金B(yǎng)，（c）合金C，（d）合金D。

圖 5 T6狀態(tài)下不同合金的應(yīng)力-應(yīng)變曲線及硬度分布的工程研究.

圖 6 （a–d）均質(zhì)化和（ex–hx） 熱軋：（a） A-H， （b） B-H， （c） C-H， （d） D-H， （e ）1- D2） A-HR，（f1， f2） B-HR，（g1， g2） C-HR， （h1， h2） D-HR， （a–d， e1–h1） 反極圖（IPF），（e2–h2幾何必要位錯(cuò)圖。

圖 7 （公元-日）OM 圖像，（e1–h1） IPF，以及 （e2–h2） T6處理后不同合金的再結(jié)晶微觀結(jié)構(gòu)的GND圖：（a，e1- D2） A-T6， （b， f1， f2） B-T6， （c， g1， g2） C-T6， （d， h1， h2D-T6.

圖 8 第二相粒子在（a1–d1） 均質(zhì)化，（a2–d2） 熱軋和 （a3–d3） 溶液處理；（a1–a3） 合金 A，（b1–b3） 合金 B，（c1–c3） 合金 C，（d1–d3） 合金 D

總之，本研究研究了通過(guò)協(xié)同偏析控制策略提高高凝固間隔雙輥鑄造Al-Zn-Mg-Cu合金的強(qiáng)度和延展性。采用Al-5Ti-B晶粒細(xì)化機(jī)和基于多尺度晶粒細(xì)化策略的Ti、Zr、Sc微合金化元素制備了不同晶粒尺寸的雙輥鑄造（TRC）Al-Zn-Mg-Cu合金。揭示了合金中中心偏析和帶狀晶間偏析（B-IGS）的協(xié)同控制機(jī)理。此外，還研究了多尺度偏析分布和微合金化對(duì)合金組織及力學(xué)性能的影響.本工作為TRC生產(chǎn)高性能合金帶材的多尺度偏析協(xié)同控制提供了策略。研究成果總結(jié)如下：

(1)隨著合金晶粒尺寸逐漸減小，實(shí)現(xiàn)了中心偏析和B-IGS的協(xié)同控制。晶粒的細(xì)化將聚集的中心偏析缺陷轉(zhuǎn)化為分散的B-IGS缺陷，這是半固體結(jié)構(gòu)的擠壓效應(yīng)向剪切誘導(dǎo)膨脹（SID）的轉(zhuǎn)變。晶粒細(xì)化延緩和削弱了SID效應(yīng);因此，B-IGS缺陷的寬度和長(zhǎng)度逐漸減小，合金元素沿厚度方向的宏觀分布變得更加均勻。

(2)軋制和熱處理過(guò)程中，偏析分布顯著影響第二相顆粒的溶解、殘余相的分布以及組織組織的均勻性。大中心偏析和B-IGS缺陷大大增加了晶相的溶解時(shí)間，特別是對(duì)于合金A。此外，B-IGS使軋制和熱處理后的殘余晶相分布更加聚集（條狀分布），并且殘余晶相的分布隨著B-IGS缺陷尺寸的減小而變得更加分散。最終熱處理后的晶粒變得細(xì)化，由于多尺度偏析和微合金化的有效控制，其分布更加均勻。

(3)協(xié)同偏析控制策略同時(shí)改善了Al-Zn-Mg-Cu合金的強(qiáng)度、延展性和硬度分布。由于結(jié)構(gòu)均勻性的改善，T6態(tài)下的YS、UTS和TE分別從合金A的437 MPa、494 MPa和11.4%提高到合金C的4 0 MPa、540 MPa和14.7%。Zr和Sc的痕量添加通過(guò)L12 Al3M（M = Sc，Zr，Ti）分散體的Orowan強(qiáng)化、晶界強(qiáng)化和位錯(cuò)強(qiáng)化，使D合金在T6狀態(tài)下的YS和UTS分別提高到520 MPa和574 MPa，而其TE略微降低至12.4%。