导读：本文提出了一种新颖的两步路线成功应用于亚共晶Al-Si合金。首先在超高等静压下通过固溶处理制备的Al-Si单相合金，然后进行高压扭转，首次获得块体纳米结构的亚共晶Al-Si合金。超细的Al晶粒，Si纳米颗粒，固溶的Si溶质和位错极大地提高了屈服强度。同时，通过将Si细化到纳米级，避免了常见的Al-Si合金中微米级Si相的脆性断裂和延展性显着增强。因此，纳米结构的Al-Si合金表现出403MPa的高屈服强度和32％的大的总伸长率。这项工作为实现具有低可溶性成分的整体纳米结构合金提供了一种有前途的方法。

许多低溶性合金元素对于改变金属材料的某些重要性能至关重要，例如可铸性，抗蠕变性或热稳定性。不幸的是，这些元素的加入通常会导致溶质/沉淀硬化不足，因为溶解度有限，或者由于应力集中在难以溶解在基体中的粗的二次相上，导致塑性较差。在解决这些问题时，微结构细化已被视为改善机械性能的有效解决方案。一方面，将组织细化至亚微米或纳米水平可以显著提高强度。另一方面，当将粗相细化为均匀分布的纳米粒子时，可以大大降低脆性第二相上的应力集中，因此延展性可能得到改善。然而，组织细化以及这些材料的机械性能的改善可以非常具有挑战性的。

在超高压技术（≥1GPa）的发展已经表明，等静压力可以作为一个热力学参数起作用来改变相图。具体而言，在9 GPa时，Si在Al基体中的溶解度可有效提高至18 at％ 。这提供了获得高Si浓度的Al-Si固溶体的途径，并增加了将高压固溶处理（HPST）与SPD结合使用以处理块状纳米结构材料的可能性与低可溶性元素。

在这项工作中，北京航空航天大学科研人员通过HPST和高压扭转（HPT，主要的SPD方法之一）成功地实现了由Si纳米颗粒增强的UFG铝合金。注意HPST中的压力是热力学参数，而HPT中的塑性变形则是应变。HPST + HPT两步路线实现了Al和Si相的同时细化，大大提高了强度和延展性。相关研究成果以题“Bulk nanostructured Al-Si alloy with remarkable improvement in strength and ductility”发表在国际著名期刊 Scripta Materialia。

论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359646221002505

通过使用高纯度的Al和Si（≥99.99wt％）进行铸造来制备Al-7 wt％Si合金。将铝硅锭加工成圆柱状试样（Φ10×12毫米），然后在6 GPa下于700°C（Al-Si合金的熔化温度随压力升高而升高）进行1小时的HPST处理，然后使用CS-IB型立方砧高压设备进行水冷。随后，将标本切成薄片（Φ10×0.8毫米），并在室温下经过5圈旋转以承受6 GPa以下的HPT。HPST + HPT处理历史记录在图1（a）中进行了示意性说明。此外，还提供了一步处理的标本（HPST或HPT）以进行比较。

与铸态，HPT和HPST试样的硬度相比，图1（b）中显示了相对于HPST + HPT试样离圆盘中心距离的显微硬度。HPT和HPST + HPT标本的硬度值趋于稳定水平，表明已达到饱和状态。HPT或HPST将铸态试样的硬度从60 HV显着提高到100 HV。在HPST + HPT之后，硬度甚至增加到160 HV。

图1.（a）块状纳米结构Al-Si合金的加工历史示意图。AP表示大气压，WQ表示水淬。（b）通过不同途径处理的样品的维氏硬度。（c）在不同加工条件下样品的XRD曲线。（d）用箭头表示的（c）中不同样品的Si {111}峰的放大图。

图2. 样品在不同条件下的微观结构。（ab）铸态试样的光学显微照片。（cd）HPT处理过的样品的光学显微照片。（e）铸态和HPT处理的样品中Si的长度和（f）宽度分布。（g）经HPST处理的样品的光学显微照片和（h）TEM亮场图像。在（h）中插入了相应的SAED模式。

图3. HPST + HPT处理的样品的微观结构。（a）TEM亮场图像和（b）使用低放大倍率的Si {111}反射的相应暗场图像。该衍射图案被插入的（a）。（c）使用Si {111}反射获得的与（c）中的正方形区域相对应的Al晶粒的放大的明场图像和（d）暗场图像。（e）Al晶粒和（f）Si颗粒的尺寸分布。（g）沿[001] Al区域轴截取的Al晶粒的SAED图案。（h）对于其中Si的取向与Al相同的Al-Si合金，沿着[001] Al区域轴的衍射图的示意图。

试样在不同条件下的拉伸应力-应变曲线绘制在图4（a）中。HPT将铸态试样的屈服强度从60 MPa提高到173 MPa。同时，总伸长率从5％增加到22％。强度的增加可以通过HPT和变形引起的Si沉淀物从晶粒细化引起。伸长率的提高可能是由于共晶Si从三维互连薄片破碎成随机分布的颗粒而引起的。HPT破坏了Si的互连并缩短了Si相的长度，从而降低了开裂的趋势。此外，由于硅颗粒分布更均匀，因此在HPT处理的样品中微裂纹的连接受到了阻碍。因此，HPT处理过的样品的延展性提高了。

图4. （a）在不同加工条件下试样的拉伸应力-应变曲线。（b）在通过HPST + HPT处理的拉伸试样的标距部分中，von-Mises应变的局部分布。（c）对应于（b）中位置A到B的应变分布的线轮廓。

图5. 样品在不同加工条件下的断裂面。（a）铸态的。（b）HPT。（c）HPST。（d）HPST + HPT。

总之，通过包括HPST和随后的HPT在内的新颖的加工方法成功地制备了由超细Al晶粒和Si纳米颗粒组成的块状纳米Al-Si合金。纳米结构的Al-Si合金具有超过400 MPa的超高屈服强度和32％的大伸长率。UFG Al，Si纳米颗粒，富集的Si溶质和位错极大地提高了屈服强度。同时，通过将硅相细化至纳米级，避免了粗大的硅相的脆性断裂，并显著提高了延展性。这项工作为获得具有良好机械性能的块状纳米结构Al-Si合金提供了一种新方法。