脉冲磁场深冷处理铝基原位复合材料的组织演变规律及强韧化机制

制备高强韧金属材料是提高其市场竞争力的关键，随着航空、高客、军工等行业发展，迫切需求轻质高强韧材料。2009年中美科学家指出提高材料综合强韧性的途径，即用纳米尺度共格界面实现材料的强韧化。基于该理论，项目提出以高强铝合金为基体，以原位内生微纳米颗粒强化，颗粒与基体共格对应，界面稳定性高。铸态复合材料经均质、热挤压、固溶时效处理后，在不同冷却速度、处理时间、冷热循环次数下进行深冷处理，研究位错、结晶相和界面等组织演变规律；在此基础上进行脉冲磁场深冷处理，利用脉冲瞬时压应力冲击促使高密度位错高速运动，诱发纳米孪晶生成，实现高强韧铝基复合材料的制备。研究目的在于弄清深冷处理无相变金属材料时的组织演变规律，澄清以往矛盾之处；重点是建立不同脉冲冲击下高密度位错的运动特征和纳米孪晶的诱发生长机制，为制备高强韧铝材提供一条具有"高性能、高效率、低成本、低污染"特色的可行途径。

◆项目研究以航空、高客和军工等行业需求的轻质高强韧金属材料为导向，以探索“深冷低温场”和“脉冲强磁场”下固体金属材料的组织和性能演变规律为目标，以现代先进的实验方法和材料检测技术为手段，研究了脉冲磁场深冷处理铝基原位复合材料的组织演变规律及强韧化机制。◆首先通过熔体直接反应合成法，以高强7055铝合金作为基体，以原位内生Al2O3陶瓷类颗粒和Al-Ti-Zr金属间化合物类混杂增强型的颗粒作为强化相，颗粒尺寸在200nm~1μm之间，颗粒总体积分数为2.5vol.%，通过半连铸成型，经过均质处理、热挤压和固溶时效处理。◆再者进行了深冷冲击处理和深冷调控处理，主要调控参数有：冷却速度、处理时间、处理温度和深冷时效循环次数。结果显示：冷处理过程中的体积收缩导致应力集中增加了析出动力，导致大量细小析出相出现；并诱发大量位错，在动态连续应变增加的过程中，位错在晶界处堆积，深冷时效处理的升温过程中还会发生回复和再结晶，生成亚晶后有了新的形核核心，进而生成稳定的纳米晶组织。经过深冷时效循环处理后复合材料硬度和强度有一定程度增加，且延伸率较未处理时平均增幅约250%；同时材料内部残余应力下降。◆在此基础上进行不同磁感应强度、不同处理时间和不同试样/磁场位相关系下的强磁脉冲冲击处理实验，结果显示：脉冲冲击处理试样中出现“多种类、高密度”位错，位错运动和增殖诱发局部层错和孪晶。当脉冲磁场磁感应强度4T、脉冲个数为30时，材料内部残余应力最小，抗拉强度和延伸率较未处理试样平均增幅20%。在分析过程中提出“磁致塑性”的理论设想，7055合金中大量合金析出相和弥散分布颗粒相是促进磁致塑性效应的重要原因，并提出“基于磁致塑性效应变形加工微纳尺度铝基复合材料”的新思路，拟通过新途径全面改善提高材料塑性加工性能。◆并进一步发现：深冷处理和脉冲磁场都会造成材料局部和宏观的微塑性变形，基于此提出“动态微塑性变形”概念，认为与宏观大尺度塑性变形相比，局部或全部的动态连续的微塑性变形也同样会对材料组织和性能产生有益的重要影响，将会为制备高强韧铝材提供一条具有“高性能、高效率、低成本、低污染”特色的可行途径。