Al-Zn-Mg-Cu系铝合金（7xxx系列）由于其优异的强度，高韧性，延展性和耐应力腐蚀性得到人们的广泛关注。Al-Zn-Mg-Cu系合金的化学成分，尤其是Zn，Mg和Cu元素的含量对性能影响很大，合金性能还可通过热处理，变形，淬火等参数进行调控。Al-Zn-Mg-Cu系合金的时效析出序列通常为：过饱和固溶体（SSS）→共格的富Zn，Mg（Cu）的团簇或共格GP区→亚稳η′相（MgZn₂，半共格）→稳定η相（MgZn₂，非共格）。在铝合金中加入钪（Sc）或锆（Zr）能减小平均晶粒尺寸，提高再结晶温度，改善合金机械性能，现阶段人们对进一步改善含Sc和Zr的Al-Zn-Mg-Cu系合金的性能十分关注，对热处理过程中发生的强化机制还不明确。

捷克查尔斯大学的研究人员针对Al-5.28Zn-3.21Mg-1.48Cu-0.24Si-0.24Mn-0.14Fe（-0.23Sc-0.19Zr）合金，探讨了热处理初期析出相和空位失配缺陷的类型及变化趋势。相关论文以题为“Phase transformations in novel hot-deformed Al-Zn-Mg-Cu-Si-Mn-Fe（-Sc-Zr） alloys”发表在Materials and Design。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.matdes.2020.108821

本研究设计两种合金，Al-Zn-Mg-Cu系合金为Al-5.28Zn-3.21Mg-1.48Cu-0.24Si-0.24Mn-0.14Fe，另一种含0.23Sc和0.19Zr，其余合金含量相同。热变形为在300℃下热轧（压下率10%）。等时非等温退火起始温度分别为室温，120℃和240℃（升温速率1℃/min）。

研究发现，尽管两种合金晶界处都具有T相（Al₂Mg₃Zn₃或Mg₃₂（Al，Cu，Zn）₄₉结构）和α-Al（Mn，Fe，Si）相（fcc结构）共晶相，在AlZnMgCuSiScZr合金一些晶粒芯部中检测到层状不连贯的含Sc，Zr的原始相颗粒。与通常观察到的Al₃Sc核或Al₃Zr核相反，Sc和Zr元素均形成了初级粒子的关键部分Sc，Zr核。热变形合金中含Sc，Zr颗粒的存在会减小晶粒尺寸（在AlZnMgCuSi中为50-100μm，在AlZnMgCuSiScZr中约为20μm合金）。在晶粒内部观察到了约100nm的稳定的S相（Al₂CuMg）颗粒。衍射图表明，在晶粒内部中存在GP区以及六角形η‘相的前驱体（MgZn2）。

图1 热变形状态的SEM图像（a）AlZnMgCuSi合金，（b）AlZnMgCuSiScZr合金

图2 热变形的AlZnMgCuSiScZr合金中非共格的含Sr，Zr的粒子

退火温度越高，GP区和η’相颗粒的溶解度越低，因为它们在较高的温度下溶解并使稳定相析出。在150℃温度以上，晶粒内部形成了相当数量的非共晶T相。DSC观察到，这种析出伴随有热量释放。结果表明，非共晶T相的析出可能始于较低温度的等时退火。

图3 热变形状态的TEM图像（a）AlZnMgCuSi合金，（b）AlZnMgCuSiScZr合金

图4 CDB曲线的温度变化（与纯Al参考相比）（a）AlZnMgCuSi合金，（b）AlZnMgCuSiScZr合金

对PAS的详细分析显示，GP区和η‘相粒子仅包含Zn，Mg和Al。在120°C以上时，优先消除在Cu，Si和Al离子附近。它对应于析出的T-phase Mg₃₂（Al，Cu，Zn）₄₉和S相Al₂CuMg。Si溶质在该合金成分中表现出最高的空位结合能。因此，研究的合金中T相和S相颗粒之间的界面处的失配缺陷很可能被Si溶质改善。Sc和Zr对析出的早期阶段影响较小。

综上所述，本文研究了在等时（非等温）退火过程中热变形的Al-Zn-Mg-Cu-Si-Mn-Fe（-Sc-Zr）合金中析出相附近的晶格缺陷。正电子会困在GP区或含Zn和Mg的η’相粒子的前驱体中。本研究为Sc、Zr在高强度铝合金中的作用提供了理论基础。