摘要
轻合金强韧化及薄壁轻量化是节能减排、解决新能源乘用车续航不足、实现“碳达峰”和“碳中和”目标的重要途径。Al-Mg-Si合金具有良好的焊接性、优异的成型性以及耐腐蚀等优点，是结构轻量化的关键材料。如何进一步挖掘Al-Mg-Si合金的潜力，提高其服役性能，开发高性能新能源乘用车用铝合金是轻量化的发展方向。合金化一直是开发先进铝合金材料的常用手段，但随着合金添加量增加，偏析加重。微量纳米颗粒强化可有效调控组织并显著强化力学性能。结合微合金化和纳米颗粒增强这两者的优点，通过微合金化和纳米介质协同调控是实现高性能铝合金开发的创新手段。 本文利用成分优化协同纳米颗粒制备了微量TiC-TiB2纳米颗粒增强的Al-Mg-Si合金，并工业化生产了大挤压比的纳米颗粒增强Al-Mg-Si合金。分析TiC-TiB2纳米颗粒对Al-Mg-Si合金凝固、热挤压变形及疲劳服役过程中的显微组织演变的影响规律及作用机制，揭示微量纳米颗粒强化Al-Mg-Si合金的强韧化机制和抗机械疲劳机制。本文主要创新点如下： (1)基于燃烧合成法制备TiC-TiB2纳米颗粒调控Al-Mg-Si合金铸态组织、凝固行为、热挤压态再结晶行为演变规律的研究，发现在纳米颗粒促进形核和抑制晶粒生长的双重作用下，铸态晶粒尺寸得到细化、晶界偏析得到改善。揭示了大尺度的TiB2颗粒在凝固过程中作为异质形核核心，从而提高了α-Al的形核效率。在生长过程中，未参与形核的纳米颗粒吸附在液固界面上，降低了液固界面前沿温度负梯度，减弱了枝晶生长趋势。吸附在液固界面前沿的纳米颗粒阻碍了溶质再分配，而且晶粒细化使得晶界增多，溶质原子分散空间增多，晶界偏析改善。热挤压过程中，纳米颗粒促进动态再结晶；织构弱化。 (2)基于研究Mg、Si、Fe、Mn微合金化对Al-Mg-Si合金凝固、时效析出行为和拉伸性能的影响，与熔体内反应制备的TiC-TiB2纳米颗粒协同强化，发现随着合金元素含量增加，铸态凝固组织晶粒尺寸粗大，富Fe第二相的晶界偏析加剧，富Fe相从针尖状AlFeSi相向更球形Al(FeMn)Si相转变。揭示成分优化Al-Mg-Si合金固溶时效热处理过程中第二相的析出机制，Fe、Mn、Mg、Si的加入提高了强化相β″相的析出速率和析出数量。熔体内反应制备的纳米颗粒调控Al-1Mg-1.5Si-0.7Fe-1Mn合金中，纳米颗粒促进动态再结晶生成细小晶粒，抑制静态再结晶中晶粒长大。 (3)基于对工业化生产的3wt.%TiC-TiB2中间合金增强Al-1Mg-1.2Si-0.2Fe-0.7Mn合金的微观组织和力学性能研究，发现挤压比对型材显微组织和力学性能的影响规律，随着挤压比增大，再结晶比例增加、晶粒细化、织构减弱。析出相的密度显著增加、尺寸减小。PFZ的宽度从6061的17.5nm减小到14.9nm。E2.5（厚度2.5mm）合金具有优异的综合力学性能，室温σ0.2、σUTS、εp分别396.3MPa、429.1MPa、18.1%，573K时σ0.2、σUTS分别为116.7MPa、119.3MPa。疲劳极限从92MPa提升至120MPa，提升了30.4%。室温强化机制：细晶强化、Orowan强化、热错配强化。塑性的提高得益于晶粒细化。高温强化机制：细小弥散的高温稳定析出相增加了高温条件下对晶界和位错攀移的钉扎作用。抗疲劳机制：纳米颗粒调控合金具有高密度的大/小角晶界。高密度大角晶界阻碍位错滑移，更细小晶粒促进相邻晶粒之间协调变形，减小应力集中。位错可以穿越亚晶界，高密度亚晶界有效避免位错堆积，更多细小弥散分布的共格析出相通过阻碍位错切过，不降低可动位错数量，避免位错堆积造成应力集中，降低裂纹萌生和扩展速率。
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