编辑推荐：本文通过高压扭转和粉末冶金相结合的方法，制备了近1GPa超高抗拉强度铝合金，强化机制包括纳米晶/亚晶粒晶界强化和纳米级氧化物颗粒及S'/ S析出物二次相强化。这在很大程度上扩展了铝合金强度极限，为设计超强铝合金提供了有效途径。

纳米晶铝合金的生产技术可分为两类，包括粉末冶金等“自下而上”的方法和以剧烈塑性变形（SPD）为代表的“自上而下”的方法。对于粉末冶金方法，可以通过机械研磨成功地获得纳米晶粉末。然而，粉末通常需要在高温下固结以获得致密的块状材料，这将导致晶粒粗化。剧烈塑性变形工艺中，高压扭转（HPT）是晶粒细化最吸引人的方法之一，因为它可提供最大的施加应变，但晶粒尺寸的进一步减小将会受到限制。

减小晶粒尺寸的一种有希望的方法是在金属粉末上应用高压扭转。粉末表面的氧化物层会通过塑性变形而破碎成分散的氧化物颗粒，然后限制高压扭转过程中的动态回复和随后时效处理过程中的晶粒长大，从而进一步细化晶粒，提高硬度或强度。此外，结合到铝合金中的附加氧化物颗粒可以充当另一种增强组分，与晶界和析出物一起形成多层次结构以进一步提高强度。

在本研究中，通过结合粉末冶金和高压扭转来提高时效硬化铝合金的强度。论文以广泛用作时效硬化铝合金的商用2024铝合金为例，所获得的多层次纳米结构2024铝合金表现出非常高的抗拉强度，接近1 GPa。相关论文以题为“Achieving ultrahigh tensile strength of 1 GPa in a hierarchical nanostructured 2024 Al alloy”发表在Materials Science and Engineering A。

论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0921509320306547

本工作先通过高压扭转制备多层次的纳米结构2024铝合金，然后使用预烧结粉末进行自然时效处理。粉末引入的氧化物颗粒不仅在HPT工艺中将Al晶粒细化为115 nm，将亚晶粒细化为36 nm，而且均匀地分布在基体中，并作为二次强化相。随后的自然时效导致纳米晶中出现了6-16 nm长的针状S'/ S沉淀物。包括纳米级晶粒/亚晶粒晶界硬化和纳米级氧化物颗粒和S'/ S析出物二次相强化在内的多重强化效果，导致了934 MPa的超高屈服强度，抗拉强度达到992 MPa 。

图1 工艺路线图

图2（a）在不同加工条件下试样的工程应力-应变曲线；（b）屈服强度与总伸长率的关系

研究表明，纳米晶粒/亚晶粒包含均匀分布的Cu，Mg和O元素。O元素的均匀分布表明，沿粉末边界的氧化膜被高压扭转破碎成细小颗粒，然后均匀地分布在基体中，这在粉末冶金和高压扭转结合制备的其他合金中也有报道。源自氧化物层的这种氧化物颗粒将主要是氧化铝。在初始加工阶段掺入的细氧化物分散体会在高应变下的高压扭转过程中延迟回复，从而导致更细的亚晶粒。因此，本工作中，极高密度的亚晶界被认为是由粉末冶金和高压扭转结合产生的。（文：33）

图3 高倍率下自然时效的高压扭转试样微观结构

图4（a）自然时效试样中析出分布和（b）晶体结构