文章导读
异质结构（HS）材料由于异质变形诱导硬化（HDI）效应，能够在不同晶粒结构之间产生协同变形，从而同时提升强度和塑性。然而，在铝合金中构建异质结构一直具有挑战性，因为铝的高层错能（166 mJ/m²）使其在变形和热处理过程中容易发生均匀的回复与再结晶。本研究通过在Al-Zn-Mg-Cu-Zr（7055）合金中添加稀土元素Y，利用Y与Al、Cu形成的Al₅Cu₄Y相（尺寸>1μm）促进变形过程中的粒子激发形核（PSN）型动态再结晶（DRX），同时利用L1₂型Al₃(Y,Zr)相（尺寸<20 nm）通过钉扎位错和亚晶界来抑制再结晶晶粒长大，构建了由细晶（FG，0.5-2μm）和粗晶（CG，10-20μm）交替排列的异质层片结构（HLS）。通过调控Y含量（0.1-0.5 wt.%）可精确控制两相的比例，从而实现对细晶体积分数的调控。当Y含量为0.3 wt.%时，细晶体积分数达76.5%，合金经T6热处理后抗拉强度达695 MPa、延伸率达16.6%，相比未添加Y的7055合金（592 MPa/8.0%）分别提升17.5%和107.5%。加载-卸载-再加载（LUR）实验表明，该合金的HDI应力高达368 MPa，是优异强塑性匹配的关键贡献者。透射电镜分析还揭示，高密度位错优先诱导η′相沿特定方向生长，而Al₃(Y,Zr)与Al基体具有极高的共格度（晶格错配仅1.14%），有效钉扎位错。该工作为在铝合金中通过稀土元素调控构建异质结构提供了新途径。
文章创新点
本文利用Y添加形成的双尺度第二相（Al₅Cu₄Y促形核+Al₃(Y,Zr)钉扎）构建异质层片结构，实现695 MPa强度与16.6%延伸率的协同提升。
文章封面*部分截图
部分内容详细解读
图1展示了7Y55-2合金的初始和最终微观组织及加工流程。图1(a)的铸态三维EBSD显示非等轴树枝晶（~70μm）；图1(c)的T6态三维EBSD显示形成了明显的异质层片结构。图1(d)的EDS证实Cu和Y在晶界共偏聚。图1(e)的FactSage相图显示Al₅Cu₄Y在605°C从液相中析出。图1(f)的温度分布数据显示梯度温度轧制中各道次温度不低于385°C，确保了动态再结晶的进行。
图2展示了7Y55-2合金的初始和最终微观组织及加工流程。图1(a)的铸态三维EBSD显示非等轴树枝晶（~70μm）；图1(c)的T6态三维EBSD显示形成了明显的异质层片结构。图1(d)的EDS证实Cu和Y在晶界共偏聚。图1(e)的FactSage相图显示Al₅Cu₄Y在605°C从液相中析出。图1(f)的温度分布数据显示梯度温度轧制中各道次温度不低于385°C，确保了动态再结晶的进行。
图3为7Y55-2/HLS样品中位错和析出相的TEM表征。图3(a-c)显示晶内存在高密度缠结位错形成的位错墙（蓝箭头）、位错胞（黄箭头）和位错网（蓝箭头）。图3(d)显示Al₃(Y,Zr)球形析出相（15-20 nm）与位错发生交互作用，钉扎位错。图3(e-f)的SAED确认了弥散分布的棒状和盘状η′相（4-6 nm）是主要强化相。这表明异质结构中位错-析出相的强交互作用是强度提升的关键。
图4为未添加Y的7055合金的对比微观组织。图4(a)的IPF显示7055合金以粗晶为主（~15μm），无细晶区。图4(b-c)显示晶内存在高密度纳米析出相（10-20 nm）和椭球状晶界析出相，SAED确认了Al₃Zr的L1₂结构和η′相。尽管7055合金具有相似的析出强化，但由于缺乏异质结构，其强度（592 MPa）和延伸率（8.0%）均远低于7Y55-2/HLS合金。这证明了Y添加通过构建HLS对力学性能的决定性贡献。
图5为7Y55-2/HLS中位错诱导析出的TEM分析。图5(a-c)显示η′相优先沿位错线方向选择性析出，且沿位错线的η′尺寸更大（~10 nm）。图5(d)的BF-STEM显示Al₃(Y,Zr)对位错的钉扎作用。图5(e)的HAADF清晰地显示在位错网区域有大量η′相聚集（黄箭头）。图5(f)的模拟衍射确认了η′相结构。这表明异质结构中的高密度位错为η′提供了优先形核位点，促进了更弥散的析出，贡献了额外的沉淀强化。
文章总结
本文通过在Al-Zn-Mg-Cu-Zr（7055）合金中添加稀土元素Y，成功构建了异质层片结构（HLS），实现了强度和塑性的协同提升。主要结论包括：（1）Y的添加形成了双尺度第二相：Al₅Cu₄Y（>1μm）通过粒子激发形核（PSN）促进动态再结晶形核，Al₃(Y,Zr)（15-20 nm）通过Zener钉扎效应抑制再结晶晶粒长大；两者的协同作用决定了细晶的体积分数。（2）当Y含量为0.3 wt.%时，细晶体积分数达76.5%，合金经T6热处理后抗拉强度695 MPa、延伸率16.6%，相比7055合金（592 MPa/8.0%）分别提升17.5%和107.5%。（3）加载-卸载-再加载实验表明，HDI应力高达368 MPa，是优异强塑性的主要来源；几何必要位错（GNDs）在大角度晶界（HAGBs）处的累积密度是小角度晶界（LAGBs）的1.5倍，贡献了更强的HDI硬化。（4）异质结构中高密度位错优先诱导η′相沿特定方向生长，Al₃(Y,Zr)与Al基体具有极高共格度（晶格错配1.14%），有效钉扎位错；粗晶与细晶的不同变形模式产生了非均匀变形，协同贡献了优异的强度与塑性。该工作为铝合金异质结构的设计提供了新思路。
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