通过原位添加ZrB2、Al2O3纳米颗粒和Y元素，实现了7085铝合金纳米复合材料优异的机械性能

《Materials Science and Engineering: A》：Achieving superior mechanical property of 7085 Al nanocomposites by in-situ ZrB2, Al2O3 nanoparticles and Y

　　

赵鹏飞|凯熙洲|钱伟|关创|鲍文杰|赵玉涛

江苏大学材料科学与工程学院，镇江212013，中国

摘要

为了提高7085铝合金的机械性能，研究人员在合金中加入了ZrB₂和Al₂O₃纳米颗粒以及稀土元素Y。在ZrB₂颗粒表面形成了一层约1–2纳米厚的富Y层。这层富Y层改善了界面润湿性，使得纳米颗粒能够被凝固前沿有效捕获并实现均匀分散。得益于纳米颗粒和Y的协同效应，平均晶粒尺寸从基体合金的44.8微米减小到了15.8微米。(ZrB₂+Al₂O₃)/7085Al-Y复合材料的抗拉强度（UTS）达到631.2 MPa，屈服强度（YS）为561.3 MPa，伸长率（EL）为22.5%。机械性能的提升归因于晶粒细化、Orowan强化和CTE强化。韧性的提高主要来源于晶粒细化和改性的界面失配。更细的晶粒使得应力分布更加均匀，减轻了应力集中并延缓了裂纹的产生。界面失配的减小促进了变形过程中Orowan位错环的形成和分解，从而释放了内部应力，提高了材料的延展性。与7085Al相比，该复合材料的UTS提高了12.4%，YS提高了15.3%，同时保持了相当的延展性。与不含Y的复合材料相比，其UTS提高了4.8%，YS提高了5.9%，EL提高了11.4%。

引言

7XXX（Al–Zn–Mg–Cu）系列合金由于其高比强度和良好的成形性能，在航空航天和轨道交通领域得到了广泛应用[1]、[2]、[3]。然而，随着现代工业的快速发展，传统铝合金逐渐难以满足更高性能的要求。将陶瓷颗粒加入铝合金中制备颗粒增强铝基复合材料（PRAMCs），这种复合材料具有高比强度和高比刚度，被认为是解决这一挑战的理想方案[4]、[5]、[6]、[7]。Dinesh Kumar等人[4]在AA7178合金中加入了ZrB₂颗粒，有效改善了其机械性能。含有10 wt.% ZrB₂的复合材料表现出最佳性能，硬度提高了26%，抗拉强度提高了15%。Zhang等人[6]研究了TiB₂/7075Al复合材料的微观结构和沉淀行为。TiB₂/7075Al复合材料的峰值强度达到了594 MPa。结果表明，TiB₂颗粒在热挤压和固溶处理过程中促进了动态和静态再结晶，从而细化了晶粒结构。

随着对材料性能要求的提高，基于单一颗粒系统的二元颗粒增强概念应运而生。大量研究证实，二元颗粒增强的复合材料比单一类型颗粒增强的复合材料具有更优异的性能[8]、[9]、[10]、[11]。Liu等人[8]将微米级和纳米级的SiC颗粒加入铝中。微米级SiC颗粒分布在晶界处，而大部分纳米级SiC颗粒则分散在晶粒内部。与仅含10 vol.%微米级SiC_p的复合材料相比，含有1 vol.%纳米级SiC_p和9 vol.%微米级SiC_p的复合材料表现出更好的拉伸性能：UTS达到了374.7 MPa，EL达到了11.3%，分别提高了28.7%和37.8%。Zhong等人[11]制备了不同比例的(TiB₂+TiC)/Al-Cu-Mg复合材料。第一性原理计算结果表明，TiB₂与Al基体的界面稳定性优于TiC。六方形的TiB₂提供了良好的界面结合，有助于提高强度，而球形的TiC则有助于减轻应力集中并提高延展性。当TiB_2p与TiC_p的比例为1:1时，材料达到了最佳的综合性能。

近年来，许多研究表明，向合金中添加稀土元素（如Sc、Er）可以有效改善其机械性能[12]、[13]、[14]。Ye等人[12]研究了添加Sc和Zr的Al-Zn-Mg-Cu合金的微观结构和机械性能。他们的研究显示，Sc和Zr的添加导致晶粒尺寸减小、时效沉淀物细化以及位错密度增加。这主要是由于相干Al₃(Sc, Zr)颗粒的钉扎效应，抑制了再结晶。此外，该合金的抗拉强度显著提高，但伸长率略有下降。Wu等人[13]通过添加微量Sr和Er开发了一种新型高强度Al-11Si-3Cu合金。共晶Si的尺寸显著细化至约500纳米。在拉伸过程中，Al₃Er颗粒阻碍了位错的运动，而Al₈Cu₄Er颗粒则阻碍了晶界运动。这些颗粒显著提高了材料的机械性能，使其抗拉强度达到了294 MPa，远高于基体合金（235 MPa）。然而，稀土元素Sc和Er的高价格限制了其大规模生产和应用。为了解决这个问题，相对便宜的稀土元素Y被认为是一个有前景的替代品。Jiang等人[15]将Y引入7055合金中以改善其机械性能。当Y含量达到0.3%时，7Y55-2合金的抗拉强度达到了695 MPa。Al₈Cu₄Y相作为动态再结晶的晶核位点，而Al₃(Y, Zr)相通过钉扎晶界阻碍了再结晶晶粒的生长。在这两种相的协同作用下，形成了异质层状结构。同时，Y的添加诱导了大量位错，促进了η'相在特定方向上的沉淀和生长，从而使合金的密度增加。

然而，无论是引入颗粒还是稀土元素，添加量都存在限制。陶瓷颗粒过量添加会导致颗粒聚集，而稀土元素过量添加则会形成粗大的金属间相，这两种情况都会对材料性能产生不利影响。为了满足对高性能铝合金的日益增长的需求并降低生产成本，我们提出了一种协同策略，即在7085Al中同时加入原位纳米颗粒和稀土Y，以进一步提高其机械强度。这一策略基于前述分析及我们之前的研究[16]、[17]、[18]。研究了纳米颗粒和稀土增强对复合材料微观结构和拉伸性能的影响，并分析了其拉伸曲线和断裂表面。最后揭示了复合材料的强化机制和增韧机制。

章节摘录

复合材料制备

使用无机盐K₂ZrF₆、Na₂B₄O₇.10H₂O粉末、纯Al锭、Zn锭、Mg颗粒、Cu线、Al–10Zr母合金和Al–20Y母合金制备了原位(ZrB₂+Al₂O₃)/7085Al-Y复合材料。反应方程如下[18]、[19]：3Na₂B₄O₇+6K₂ZrF₆+20Al = 6ZrB₂+6Al₂O₃+3Na₂O+8AlF₃+12KF

将K₂ZrF₆和Na₂B₄O₇.10 H₂O无机盐在200 °C的干燥炉中干燥2小时以去除结晶水。之后，将干燥后的无机盐

材料表征

不同材料的XRD图谱列于图2中。图2(a)中的原位(ZrB₂+Al₂O₃)/7085Al-Y复合材料的XRD图谱证实了ZrB₂和Al₂O₃纳米颗粒的成功形成，这从它们与Al基体相对应的独特衍射峰可以看出。此外，还出现了Al₃(Y, Zr)相的衍射峰。合金中主要相的晶面和相应衍射峰列于表1中。

纳米颗粒的改性分布

如图6所示，添加Y后纳米颗粒的分布得到了改善。这种改性的分布主要归因于纳米颗粒周围形成了富Y层。富Y层的形成与颗粒周围的应变场有关。如图4(d1-d4)所示，在半共形的ZrB₂/Al界面处存在应变梯度。在这种应变场的驱动下，熔体中的Y原子迁移到颗粒表面。

结论

在本研究中，我们将ZrB₂、Al₂O₃纳米颗粒和稀土元素Y引入7085Al中，以改变化合物的微观结构和机械性能。研究了纳米颗粒和稀土Y对复合材料微观结构的影响，并分析了其强化和增韧机制。主要结论如下：

• 1.
  Al₃(Y, Zr)颗粒近乎球形，尺寸约为40纳米，并与Al具有相干性。ZrB₂纳米颗粒

作者贡献声明

赵玉涛：验证、监督、资源管理、项目实施、方法论、资金获取、概念构思。关创：验证。鲍文杰：实验研究、数据整理。钱伟：软件开发。赵鹏飞：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、监督、方法论、实验研究、数据整理、概念构思。凯熙洲：监督、方法论、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工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢江苏省前沿科技研发计划（BF2025081）、江苏省自然科学基金（BK20250858）、国家自然科学基金（编号52571173、52471156、52504381、U20A20274）、苏州科技大学的SKLMMC开放基金（MMC-KF18-16）、中国博士后科学基金（2024M751173、2024M752703）以及镇江市基础研究专项（JC2025020）和江苏省自然科学基金的支持。