《Journal of Alloys and Compounds》：Effects of Thermomechanical Treatment on the Microstructure and Properties of a Spray-Formed Al–Zn–Mg–Cu Alloy
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热机械处理协同调控Al-Zn-Mg-Cu合金微观结构与性能。通过冷轧与多阶段时效复合工艺，细化晶粒至16.1μm，提升屈服强度122MPa，析出相强化贡献率达70.2%。研究揭示了变形缺陷促进η'析出、织构演变及多机制协同强化机理。
郑东升|夏毅|范彩和|白瑞达|刘涵
湖南工业大学材料科学与工程学院，中国株洲412007
摘要
本研究聚焦于一种通过喷涂成型和热挤压工艺制备的Al–Zn–Mg–Cu合金，设计了两种热机械处理方案：CR（固溶处理–预变形–人工时效）和CR-MT（固溶处理–预变形–预时效–动态时效–最终时效）。系统研究了热机械处理对Al–Zn–Mg–Cu合金微观结构和力学性能的影响。结果表明，热机械处理显著提高了合金的强度。与传统T6状态（峰值时效）相比，CR和CR-MT样品的屈服强度分别提高了55 MPa和122 MPa，而伸长率基本保持在10%左右。微观结构分析显示，CR和CR-MT样品的平均晶粒尺寸分别为32.5 μm和16.1 μm，明显优于T6样品。CR和CR-MT样品中的晶界主要为低角度晶界。在CR和CR-MT样品中发现了两种η′沉淀物的形核机制：位错辅助异质形核和均匀形核。塑性变形引入的晶体缺陷（如位错和空位）加速了η′沉淀物的粗化，同时减小了晶界η沉淀物的尺寸和无沉淀物区（PFZs）的宽度。与以立方织构为主的T6样品相比，CR和CR-MT样品表现出明显的β纤维（Brass–S–Goss）织构增强，同时立方织构有所减弱。强化机制分析表明，热机械处理显著增强了位错强化和沉淀强化作用，其中沉淀强化贡献最大，CR-MT样品的沉淀强化贡献达到了490.7 MPa，占总强化的70.2%，突显了沉淀强化在CR-MT条件下的主导作用。本研究基于位错、晶界、沉淀物和织构的协同作用，建立了一种热机械处理策略，为高性能Al–Zn–Mg–Cu合金的设计提供了理论基础。
引言
Al–Zn–Mg–Cu合金因其较高的比强度、优异的疲劳抗性和良好的损伤容忍度，在航空航天、交通运输等高性能结构应用中得到广泛应用[1]、[2]、[3]、[4]。这些合金的优异力学性能主要归功于沉淀强化作用，而这又强烈依赖于合金成分和热处理条件[5]、[6]、[7]。特别是人工时效促进了铝基体中细小且分布均匀的η′沉淀物的形成，从而显著提高了合金的强度[8]、[9]、[10]、[11]。
先前的研究表明，塑性变形引入的位错结构为溶质原子扩散和沉淀提供了有利条件，从而显著影响了沉淀物的形核位置和空间分布[12]、[13]、[14]、[15]。因此，通过变形处理调整位错结构已被广泛认为是调控Al–Zn–Mg–Cu合金沉淀行为和增强其强度的有效策略。特别是冷轧引入的高位错密度不仅促进了η′沉淀物的形成，还常伴随着晶粒细化和加工硬化效应，从而通过多种机制提高了合金强度[16]、[17]、[18]、[19]。除了变形条件外，材料的初始微观状态对其后续热处理的响应也起着关键作用。与传统的铸造工艺相比，喷涂成型作为一种快速凝固技术，有效抑制了粗大枝晶和次生相的形成。结合热挤压工艺，它有助于形成细小均匀的晶粒结构，并降低溶质偏析程度，从而为后续的热机械处理提供了更好的微观结构稳定性和可调性[20]、[21]、[22]、[23]。
尽管已有研究关注Al–Zn–Mg–Cu合金的喷涂成型或单阶段变形-时效处理，但对喷涂成型和热挤压材料在多阶段变形-时效耦合下的沉淀演变和强化机制的系统研究仍然有限。本研究旨在构建一种多阶段热机械处理方案，阐明位错结构、晶界特性、织构演变和沉淀行为之间的协同作用，并建立定量强化模型。通过预变形、预时效、动态时效和最终时效的多步骤调控策略，实现了纤维状晶粒结构和沉淀行为的协调控制，为高性能Al–Zn–Mg–Cu合金的热机械设计提供了理论框架。
材料制备
本研究所使用的材料是通过自主研发的SF380喷涂成型系统制备的。喷涂成型的坯料随后在YJQ-850T挤压机上进行了加工和热挤压，挤压温度为450 °C，挤压速度为5 mm/s，挤压比为23.6。最终获得了宽度为60 mm、厚度为7 mm的板材样品。合金的化学成分通过Thermo Scientific ARL OES直读光谱仪进行了测定。
力学性能
图2展示了T6、CR和CR-MT样品的工程应力-应变曲线。T6样品的屈服强度、抗拉强度和断裂伸长率分别为537 MPa、583 MPa和12.3%。与T6状态相比，经过变形处理后，Al–Zn–Mg–Cu合金的屈服强度和抗拉强度均显著提高。具体而言，CR样品的屈服强度和抗拉强度分别提高到了592 MPa和
微观结构演变
在本研究中，热机械处理对Al–Zn–Mg–Cu合金的微观结构产生了显著影响，主要体现在晶粒形态、晶界特性、位错和沉淀行为上。
如图3和4所示，在固溶处理后进行冷变形和人工时效，以及预时效后进行温变形处理后，Al–Zn–Mg–Cu合金的晶粒变得扁平且拉长，同时形成了
结论
- (1)
热机械处理显著提高了Al–Zn–Mg–Cu合金的强度，同时在一定程度上保持了其延展性。CR样品的屈服强度为592 MPa，比T6样品提高了55 MPa，而伸长率仍保持在10.4%。经过多阶段时效处理的CR-MT样品，屈服强度达到659 MPa，伸长率为9.5%，显示出较好的强度-延展性平衡。
- (2)
作者贡献声明
郑东升：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源调配、方法学设计、资金获取、概念构思。夏毅：撰写 – 初稿撰写、软件使用、实验研究、数据分析。范彩和：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源调配、概念构思。白瑞达：监督、资源调配、实验研究。刘涵：监督、资源调配、实验研究。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
作者感谢国家自然科学基金（项目编号52271177）、湖南省自然科学基金项目（项目编号2025JJ70040）和湖南省自然科学基金项目（项目编号2025JJ70063）的支持。
