引入PDC！鋁合金實現高溫晶粒穩定性

導讀：儘管鋁合金具有優良的強度重量比，但由於晶粒生長和沉澱物粗化導致的微觀結構不穩定，從而導致其強度急劇下降，因此在高溫下使用受限。本文研究試圖通過在Al-Mg合金中引入原位合成的聚合物衍生陶瓷來解決晶粒生長的問題。在450 ℃和550 ℃下暴露1 h，獲得了硬度損失最小的穩定晶粒結構。

鋁合金由於其優良的強度質量比而在航空航天、汽車和船舶工業中得到了廣泛的應用。然而，大多數鋁合金暴露在高溫下會導致晶粒尺寸增大，微觀結構不穩定，無法維持其高強度。解決鋁合金高溫晶粒穩定性問題的一種方法是在鋁合金基體中分散第二相顆粒，晶界的運動通過Zener機制阻止晶粒長大。然而這一機制對沉澱硬化鋁合金不起作用，因為沉澱物在高溫下會變粗或溶解。通過引入第二相顆粒（如陶瓷）可以激活Zener機制，但是陶瓷顆粒斷裂困難提高了製造成本，並且搬運過程中可能對健康造成危害。

陶瓷也可以從現有的特殊類型的聚合物中獲得，這些聚合物可以熱解成陶瓷顆粒。聚合物中大部分有機組分在熱解過程中揮發，剩下的部分形成無定形陶瓷（稱為聚合物衍生陶瓷（PDCs））。這種聚合物由於斷裂韌性低，通過嚴重的塑性變形方法，很容易分解為納米級尺寸，並且可以分散在合金基體中，當加熱至熱解溫度，可在合金內原位轉化為納米陶瓷。PDC具有很高的溫度穩定性，即使在高溫下也有可能釘住晶界。

因此，近日印度科技學院聯合法國洛林大學於期刊《Scripta Materialia》發表了題為「Imparting high-temperature grain stability to an Al-Mg alloy」的論文，該項工作嘗試通過在鋁-鎂合金中引入第二相顆粒（以原位PDC的形式）並使用攪拌摩擦技術（FSP）來賦予Al-Mg合金高溫晶粒穩定性。這些顆粒有助於釘扎晶界和維持其穩定性，減少硬度損失。

論文連結：

https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2020.08.035

IPF圖中可以看出，晶粒接近等軸，屬於典型的再結晶結構，且熱處理前後晶粒尺寸相近，具有相似取向的晶粒沒有合併。說明即使在如此高的溫度下，材料的平均晶粒度變化很小，並且具有較大的晶粒生長阻力。

SEM顯微組織中沒有發現異常晶粒生長（AGG），證明了即使在550°C下，微觀結構在整個熔核區都是穩定的。儘管亞微米顆粒分布在整個熔核區，但在不包含PDC顆粒的試樣中出現了AGG。顯而易見，試樣在450°C和550°C下表現出晶粒穩定性是由於PDC顆粒的存在。此外，熱解PDC顆粒的非晶態性也可能賦予顆粒與基體間優越的界面強度，這也會增加顆粒釘扎晶界的強度。同時，顯微維氏硬度試驗結果表明，即使在暴露於如此高的溫度下，材料的強度變化也非常輕微。

該項工作通過國家研究機構（ANR） 「Investment in the future」計劃，並被ANR-11-LABX-0008-01引用。