《Materials Science and Engineering: A》：Microstructure and mechanical study of Al-Si3N4/ 6063 Al laminated composite fabricated by porthole die co-extrusion and forging
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作者：党光汉、陈亮、张璐杰、唐建伟、陈晓雪、张存胜、赵国群
单位：山东大学先进装备与成形技术国家重点实验室，中国济南 250061
摘要
通过提出的窗孔模具共挤和锻造（PDCF）工艺，成功制备了由交替堆叠的Al-Si?N?复合材料和6063铝合金组成的铝基金属基复合材料（AM
作者：党光汉、陈亮、张璐杰、唐建伟、陈晓雪、张存胜、赵国群
单位：山东大学先进装备与成形技术国家重点实验室，中国济南 250061
摘要
通过提出的窗孔模具共挤和锻造（PDCF）工艺，成功制备了由交替堆叠的Al-Si?N?复合材料和6063铝合金组成的铝基金属基复合材料（AMCs）/Al多层复合材料。系统研究了堆叠顺序和锻造温度对界面结构、微观组织和力学性能的影响。AMCs/Al界面完整，其特点是晶界凸起而非直线状结合线，这表明在PDCF过程中铝合金与AMCs之间形成了良好的冶金结合。AMCs层和Al层在PDCF过程中表现出不同的微观结构演变：AMCs层保持了相对稳定的晶粒形态，而PDCE处理后的Al层中的细小纤维状晶粒在预热阶段发生异常生长，并在热锻造过程中延长为粗大的长晶粒。在Si?N?/Al界面检测到了MgAl?O?相，该相可作为有效的载荷传递介质。在AMCs/Al多层复合材料的拉伸变形过程中观察到了特征性的多步断裂过程。较高的锻造温度促进了Al层中金属间相的再溶解，并仅对AMCs层产生了轻微变化，从而提高了Al/AMCs/Al复合材料的强度。相比之下，AMCs/Al/AMCs复合材料的强度在不同锻造温度下保持相对稳定，但表现出优异的延展性，最大抗拉强度达到365 MPa，伸长率为9.7%。
引言
在包括汽车、航空航天和军事应用在内的各个领域，减轻重量和提高性能是结构材料设计的主要目标[1]。铝基金属基复合材料（AMCs）因具有优异的机械性能（如高比强度和刚度、良好的耐磨性以及抗侵蚀性）而备受关注[2]。作为增强材料，已使用了多种陶瓷颗粒，包括SiC[3]、Si?N?[4]、TiN[5]、TiB?[6]和Al?O?[7]。然而，AMCs的强度与延展性之间的权衡以及较差的韧性仍然是挑战性问题，尤其是考虑到铝基体与增强材料之间的固有界面缺陷[8]。
近年来，具有梯度[9]、多层[10]、双峰/多峰[12]和双相[14][15]等微观异质结构的材料得到了广泛应用，这些结构通过将材料划分为具有不同晶粒特征、化学成分和残余应力的多个区域来实现强度和延展性的理想结合。这些看似不同的结构遵循相同的“应变分散”设计和力学原理，从而实现更稳定和均匀的塑性变形[16][17]。其中，由相似或不同金属制成的多层复合材料越来越受到关注，因为它们可以方便地形成异质结构，并整合不同组分的优异物理化学性能[18]。AMCs/Al多层复合材料的制备具有极高的潜力，其中AMCs主要提供高强度、刚度和耐磨性（称为硬层），而铝合金则提供优异的塑性和韧性（称为软层）。在变形过程中，AMCs层和Al层之间的机械差异通过原子级别的几何必要位错（GNDs）在界面处的累积，可以产生额外的强化和应变硬化效应[19][20]。先前的研究强调了界面对于多层复合材料裂纹损伤、应力/滑移传递和颈缩延迟的关键作用，表明强界面是制备高性能多层复合材料的基本前提[21][22]。这使得AMCs/Al多层复合材料具有显著优势，因为它们的界面是完美结合的，而一般的替代系统（如Al/Mg[23]、Al/Fe[24]和Al/Ti[25]复合材料）的界面通常含有金属间化合物（IMCs）。此外，由于引入了软质Al层，AMCs/Al多层复合材料的抗断裂性能明显提高[10][26]。
热压烧结、轧制和挤压等技术被认为是制备具有不同厚度比、层数和堆叠顺序的AMCs/Al多层复合材料的可行方法。Que等人[10]使用真空热压烧结成功制备了Al/Al-TiB?层压复合材料，并研究了堆叠顺序对韧性的影响。他们的进一步研究表明，层压复合材料的延展性提高归因于裂纹偏转、界面分层和应变传递[27]。然而，热压烧结复合材料不可避免地会形成大量孔隙和低密度，这严重降低了其机械性能[4]。Wang等人[28]使用热轧技术制备了1060/Al-TiC/1060夹层复合材料，并研究了轧制减量对微观结构、织构和拉伸性能的影响。Leng等人[29]详细研究了TiB?含量对TiB?/Al7050层压复合材料变形行为的影响，并讨论了强度增强与细晶强化、增强材料含量、热失配强化和弹性模量失配强化之间的相关性。Daneshmand等人[30]通过累积滚压结合制备了AA1100/BN复合材料，并提出韧性提高可归因于孔隙减少和颗粒聚集。不幸的是，为了减轻杂质和氧化对AMCs/Al多层复合材料界面完整性的不利影响，需要进行耗时的表面预处理（如机械抛光、酸洗和金属刷洗），这极大地限制了生产效率并增加了成本。综上所述，有必要探索更可行和高效的技术来制备高性能的AMCs/Al多层复合材料。必须强调，这些技术应考虑复合产品的几何复杂性，以满足实际应用的需求。
最近，我们提出了一种称为窗孔模具共挤（PDCE）的新工艺来制备多层复合材料，在该工艺中，坯料表面保留在容器内，只有新鲜的金属流进入焊接室，从而实现牢固的固态结合[31][32][33][34]。然后，PDCE工艺与后续的热锻造（PDCF）结合使用，以制备具有复杂结构的多层复合材料并优化微观结构[23]。在这里，我们通过PDCF工艺制备了由交替堆叠的Al-Si?N?复合材料和6063铝合金组成的AMCs/Al多层复合材料，并详细研究了Si?N?颗粒、堆叠顺序和锻造温度对界面结构、微观组织和力学性能的影响。还讨论了Si?N?颗粒和多层结构共同作用下的断裂行为。
章节摘录
材料与方法
实验室规模的Al-Si?N?复合材料和商业6063铝合金（化学组成为Al-0.8Mg-0.45Si-0.12Mn-0.12Zn-0.1Cu-0.35Fe（重量%）被用作制备AMCs/Al多层复合材料的原料。选择Si?N?作为陶瓷增强材料，是因为它具有高硬度、优异的热稳定性和化学惰性以及相对较低的密度。最重要的是，Si?N?颗粒与7075铝合金基体具有优异的界面相容性，这有利于...
PDCE后的微观结构
图3中的SEM显微图显示，多层复合材料中形成了无孔隙、裂纹或分层现象的完整界面，表明Al合金和AMCs可以通过PDCE工艺良好结合，这一点在Al/AMCs/Al复合材料（图3(a)）和AMCs/Al/AMCs复合材料（图3(b)）中得到了证实。根据相应的EDS分析结果，大量的暗色Si?N?颗粒（黄色箭头）以及明亮的η-Mg(Zn, Al, Cu)?和S-Al?CuMg相（红色箭头）...
PDCF过程中AMCs/Al多层复合材料的微观结构演变
了解AMCs/Al界面的本质对于建立AMCs/Al多层复合材料的微观结构-性能关系至关重要。本研究使用SEM、EBSD和TEM对AMCs/Al界面进行了多尺度表征。尽管SEM图像中观察到一个看似平坦的界面，但TEM分析显示晶界贯穿了整个原始结合界面，表明界面已完全愈合...
结论
通过提出的PDCF工艺制备了由Al-Si?N?复合材料和6063铝合金组成的AMCs/Al层压复合材料。研究了堆叠顺序和锻造温度对界面结构、微观组织和力学性能的影响。主要发现总结如下：
- (1)
在多层复合材料中观察到完整的AMCs/Al界面，没有任何孔隙、裂纹或分层现象。此外，晶界呈现凸起状，而不是...
CRediT作者贡献声明
张璐杰：验证、数据整理。陈亮：撰写初稿、研究、资金获取、数据整理、概念构思。党光汉：撰写初稿、方法论、研究、概念构思。赵国群：撰写与编辑、监督。张存胜：撰写与编辑、监督。陈晓雪：研究、数据整理。唐建伟：撰写与编辑、研究、概念构思。
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财务利益或个人关系。
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财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢以下机构的财政支持：国家自然科学基金（52575410、52222510和52505405）、山东省自然科学基金（ZR2025ZD40），以及中国山东青年科技创新工程的支持。
