高压滑动技术(MPIF-HPS)规模化制备超细晶AA7075合金的潜力研究及其力学性能增强机制

本研究针对传统剧烈塑性变形(SPD)技术难以规模化应用的瓶颈问题，开发了多道次渐进进给高压滑动(MPIF-HPS)新工艺，成功将AA7075铝合金晶粒尺寸细化至~200nm，使其抗拉强度提升44%至650MPa的同时延伸率提高56%达22%。该技术通过有限元模拟和EBSD分析揭示了应变均匀化机制，为航空航天领域高强韧材料制备提供了创新解决方案。

　　

在材料科学领域，如何规模化生产兼具高强度和高塑性的超细晶金属材料一直是重大挑战。传统剧烈塑性变形(SPD)技术如高压扭转(HPT)虽能有效细化晶粒，但受限于样品尺寸难以工业化应用。特别是航空航天领域广泛使用的AA7075铝合金，其强度-塑性倒置关系更成为性能提升的瓶颈。针对这些问题，来自埃及英国大学等机构的研究人员Eman M. Zayed团队在《Heliyon》发表了创新性研究，开发出多道次渐进进给高压滑动(MPIF-HPS)新技术，成功实现了大尺寸超细晶材料的可控制备。

研究采用四大关键技术：1)自主设计的MPIF-HPS模具系统，可实现120mm×4mm大尺寸样品处理；2)多道次渐进变形工艺(1-4道次)，压力范围15-50GPa；3)电子背散射衍射(EBSD)和扫描电镜(SEM)表征微观结构演变；4)ABAQUS有限元分析(FEM)模拟应变分布。通过系统研究变形道次与材料性能的关联规律，揭示了超细晶材料的形成机制。

【4.1 微观结构分析】
EBSD分析显示原始AA7075晶粒尺寸为100μm，经4道次MPIF-HPS后降至200nm。SEM观察到Fe/Mg富集相破碎现象，证实应变诱导的连续动态再结晶(CDR)机制。值得注意的是，低角度晶界(LAGBs)向高角度晶界(HAGBs)的转变是晶粒细化的关键，这与传统SPD工艺的位错堆积理论相符。

【4.2 拉伸性能】
力学测试呈现显著强化效果：屈服强度(YS)从250MPa提升至600MPa，抗拉强度(UTS)达650MPa，延伸率(TE%)反而从15%增至22%。这种"强韧协同"效应打破了传统金属材料的性能倒置关系，优于累积叠轧(ARB)、等通道转角挤压(ECAP)等现有工艺。

【4.3 硬度】
维氏硬度从105HV增至165HV，且4道次后分布均匀性显著改善。硬度-应变对应关系验证了Hall-Petch强化机制，饱和现象则归因于动态回复导致的位错重组。

【4.4 模拟与数值分析】
FEM模拟揭示应变累积规律：前3道次存在明显梯度分布，第4道次实现均匀化(最大应变3.2)。应变集中区域与硬度分布高度吻合，证实了模型的可靠性。

该研究突破性地解决了SPD技术工业化应用的两大难题：通过模具创新将样品厚度提升至4mm，利用多道次设计实现应变均匀分布。其科学价值在于阐明了MPIF-HPS过程中CDR主导的晶粒细化机制，工程意义则是开发出可扩展的强韧化处理新工艺。研究为航空航天用高强铝合金的批量制备提供了全新思路，未来可通过优化模具结构进一步扩大样品尺寸。文中所用的EBSD-FEM联用分析方法，也为其他金属材料的SPD工艺开发建立了标准化研究范式。