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通过紧凑铸造-轧制工艺制备Al-20Zn-0.5Mg-0.5Sc/2024Al双金属复合环，系统研究热轧和后续热处理对界面显微结构、结合性能及阻尼行为的影响。结果表明，热轧显著细化晶粒并增加位错密度，使机械强度和高温阻尼性能分别提升230%和优化，退火处理改善组织均匀性和延展性，沉淀相Al3Sc和θ相的形成协同强化了材料性能。该研究为双金属复合材料的性能协同调控提供了新策略。
吕一洲|秦方成|杨海金|吕高华|金瑞
桂林理工大学材料科学与工程学院，中国广西桂林541004
摘要
在航空航天和风力涡轮设备中使用的高性能铝合金复合材料中，实现良好的结合性能与阻尼能力之间的协同作用仍然是一个关键的科学问题。为了解决这个问题，通过压铸-轧制工艺制备了Al–20Zn–0.5Mg–0.5Sc/2024Al双金属复合环，并系统研究了热轧（HRR）和后续热处理对界面微观结构、结合性能和阻尼行为的影响。通过双金属界面处的充分原子扩散，形成了大约300微米的冶金结合界面。热轧有效细化了晶粒结构并增加了位错密度，与铸态相比，机械强度和高温阻尼性能同时提高了约230%。应力消除退火通过消除枝晶偏析提高了结构均匀性和延展性，从而在强度、延展性和阻尼稳定性之间取得了更好的平衡。固溶处理和时效进一步通过形成纳米级的Al?Sc和θ相激活了沉淀强化作用，使得最终抗拉强度达到392 MPa，屈服强度达到373 MPa。高位错密度被认为是同时提高强度和阻尼的主要原因，而密集的纳米沉淀虽然增强了材料强度，但略微降低了室温阻尼。本工作表明，合理调节热机械加工和沉淀行为可以有效同步双金属复合材料的界面结合、机械性能和阻尼能力，为开发高性能阻尼结构材料提供了可行的策略。
引言
由于其低密度和高比强度[1]、[2]、[3]，铝合金被广泛应用于航空航天、海洋和电力电子领域。然而，它们固有的低阻尼能力限制了其在减振和降噪方面的性能，特别是在高频工作条件下，疲劳失效和声辐射可能会影响结构的安全性和可靠性[4]、[5]。为了克服这一限制，在保持良好强度、韧性和界面结合性能的同时提高铝合金的阻尼能力已成为一项关键技术挑战。解决这一挑战对于扩展铝合金在高性能工程系统中的应用至关重要——例如飞机部件、风力涡轮法兰和汽车零件，这些系统需要同时具备结构稳定性和振动控制能力。本研究旨在开发有效的策略，以改善双金属复合材料的阻尼性能，并在机械性能和阻尼能力之间取得理想的平衡。
目前，单一成分的铝合金难以满足复杂工作环境下的综合性能要求，因此人们对双金属复合材料的兴趣日益增加。这类材料的常见制造技术包括轧制、铸造和爆炸焊接[6]、[7]、[8]、[9]。作为重要的结构部件，环形零件因其出色的结构稳定性和均匀的应力分布而在航空航天、汽车和风力涡轮法兰应用中得到广泛使用[10]。在双金属环的生产中，离心铸造是一种广泛采用的方法，通过适当控制铸造温度和间隔时间，可以实现不同金属层之间的良好冶金结合[11]。基于这一概念，秦等人[12]、[13]、[14]引入了一种压铸-轧制成型方法，包括离心铸造和热轧（HRR），为环形部件的集成制造提供了一种新颖且高效的方法，同时优化了其几何形状和性能。
以往的研究主要集中在通过变形加工、强化相引入[15]和后续热处理[16]的协同应用来协调复合材料的结合性能和阻尼能力。王等人[17]对2024/6061铝合金进行了压铸-轧制复合实验，确定了铸造间隔、轧制温度和轧制变形的最佳组合，可以有效平衡强度和阻尼能力。傅等人[2]通过摩擦搅拌焊接将ZA27颗粒引入7075铝合金基体中，细化了晶粒结构，增加了位错密度，并显著提高了高温阻尼能力。谢等人[18]系统研究了Zn含量对Al–Mg–Zn–Sc合金的影响，他们发现变形促进了T相沿晶界的形成，适量的Zn添加增强了热稳定性，而过量的Zn会导致T相颗粒异常粗化，降低塑性。李等人[19]通过铸造、轧制和摩擦搅拌焊接制备了Al–20Zn–xCe–Zr合金，证明适当的Ce添加细化了晶粒，促进了Al?CeZn?相的均匀分布，并降低了位错密度，从而同时提高了机械强度和阻尼能力。万等人[20]研究了SiC颗粒增强型的Mg??Zn?Y?复合材料，发现适当的SiC添加同时提高了压缩强度和阻尼能力。在低应变幅度下，阻尼机制遵循Granato–Lücke (G-L)位错模型；在高应变幅度下则转变为微塑性变形；而过量的SiC会导致颗粒聚集和性能下降。
复合材料的机械性能和阻尼能力在很大程度上受界面结合质量的影响[21]、[22]。一般来说，更强的界面结合能够提高载荷传递效率，从而改善机械性能。然而，其对阻尼行为的影响更为复杂。过强的结合强度会限制界面滑移和层间摩擦，从而抑制能量耗散；而结合强度不足则会导致不稳定的、难以控制的阻尼响应。在双金属复合材料中，界面结合强度是调节机械强度和阻尼能力之间协同或竞争关系的关键因素。尽管近年来在2xxx和7xxx系列铝合金复合材料的机械和阻尼性能方面取得了一些进展，但通过压铸-轧制工艺和后续热处理系统研究双金属复合材料中机械强度和阻尼能力的协同控制仍然有限。目前对于界面结合性能、沉淀行为和阻尼能力之间权衡的潜在机制了解还不够充分。因此，填补这一研究空白对于开发能够满足航空航天和风能应用严格要求的高性能双金属复合环具有重要意义。在本研究中，通过离心铸造后进行HRR并在不同轧制参数和热处理条件下制备了Al–20Zn–0.5Mg–0.5Sc/2024Al双金属复合环，研究了界面微观结构、结合性能和阻尼能力的演变，以阐明其耦合行为的潜在机制。研究结果为通过调整结构和相分布同时实现高强度和优异阻尼能力提供了有效策略。
材料与实验方法
本研究中使用的Al–20Zn–0.5Mg–0.5Sc合金和2024Al的化学成分列于表1中。双金属环的制造过程如图1(a)所示，首先通过熔化和离心铸造制备了双金属离心管坯料，得到长度为200毫米、外径为120毫米、内径为80毫米的双金属环。
图1(c)显示了每个过程的温度与时间曲线。
结合界面的XRD结果
图2(a)展示了四种不同加工条件下双金属环的XRD图谱。可以观察到，离心铸造样品没有明显的衍射峰，这主要是由于存在不可避免的铸造缺陷（如气孔和收缩孔洞），这些缺陷显著削弱了X射线衍射强度[24]。尽管如此，仍可以识别出α-Al、Al?Sc和θ相的衍射峰，但没有与Zn相关的衍射峰。
沉淀类型对结合性能和阻尼能力的影响
在2xxx/7xxx系列铝合金复合材料中，主要的次要相是Al?Sc和θ相。Al?Sc相通常以纳米级颗粒的形式分散在基体中，提供了显著的晶粒细化和位错钉扎效应，从而显著提高了机械强度。然而，这种强化往往伴随着阻尼能力的降低。当温度超过大约0.5 Tm时，晶界滑移逐渐成为主要的变形方式。
结论
通过离心铸造、HRR和后续热处理制备了Al–20Zn–0.5Mg–0.5Sc/2024Al双金属环。详细分析了界面微观结构、结合性能和阻尼能力。主要结论如下：
(1) HRR工艺在离心铸造坯料之间实现了优异的冶金结合，形成了致密且连续的双金属界面。增加变形细化了晶粒并减小了结合层宽度，同时
作者贡献声明
秦方成：撰写 – 审稿与编辑，资金获取，概念构思。吕一洲：撰写 – 原始草稿，可视化，实验研究。吕高华：实验研究，概念构思。杨海金：方法学研究，实验研究，概念构思。金瑞：方法学研究，实验研究。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢国家自然科学基金（编号52265045）、广西科技计划项目（GuikeAD25069100）和广西重大科技项目（AA22067081-2）的财政支持。
