Tailoring strength-ductility of Al 0.8 CoCrFeNi/Al composites fabricated by deformation-driven metallurgy via incorporating high-energy ball milling pretreatment
高能球磨预处理通过细化增强相尺寸并增加位错密度，有效地调控了 Al0.8CoCrFeNi/Al 复合物的力学性能，从而在保持合理塑性的同时显著提高了屈服强度和抗拉强度。
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在对从飞机到电动汽车等各类产品所需更轻、更强材料的持久追求中，科学家们长期以来一直将目光投向铝。铝是一种能够提供轻量化与强度极佳平衡的金属，但对于最苛刻的应用场景，它需要一种助力。一种为铝提供这种助力且颇具前景的方法，是将铝与一类被称为高熵合金的特殊金属微粒进行混合。这些并非典型的金属；它们是几种不同元素的复杂混合物，当结合在一起时，会创造出一种极其坚韧、耐腐蚀且能够承受极端高温的材料。然而，挑战在于这两种材料的结合。如果高熵合金颗粒过大或发生团聚，就会在铝中产生薄弱点，导致最终产品在压力下失效。目标是将这些增强颗粒如此细微且均匀地分散在铝中，使它们像一层均匀的护盾一样抵御变形，在增强金属强度的同时不使其变脆。
上海航天制造设备研究人员与哈尔滨工业大学的研究人员通过改进一种称为“变形驱动冶金”的方法解决了这一挑战。该工艺本质上是一种无需熔化即可通过粉末锻造金属的方法，利用剧烈的压力和摩擦将原料混合成一个固体块。在他们发表的最新研究论文中，团队引入了一个至关重要的第一步：使用高能球磨进行剧烈的预处理。想象一下，一个装满了钢球以及铝和高熵合金混合粉末的重型滚筒。随着滚筒旋转，钢球以巨大的力量撞击粉末，不断地将颗粒粉碎、压平并将其焊接在一起。研究人员想要观察需要让这个滚筒旋转多久才能获得完美的结果。他们测试了从15小时到30小时不等的不同时长，以观察粉末的变化情况，以及这些变化如何影响铝复合材料的最终强度。
结果揭示了一个清晰的转化过程。随着磨粉时间的增加，原本巨大且形状不规则的高熵合金块逐渐被碾碎成更细小、更均匀的点状物。最初，颗粒相对较大且分布不均，但在经过25小时的磨粉后，它们被精炼成了尺寸小于半微米的微小等轴晶粒。这种精炼不仅关乎尺寸，更关乎颗粒如何嵌入铝中。剧烈的研磨在铝粉的晶体结构中引入了大量的缺陷，即位错。这些缺陷充当了种子，促使铝在随后被锻造成固体块时，将其内部结构重新组织成更细、更坚固的晶粒模式。研究人员发现，磨粉时间越长，铝晶粒就越能够重新结晶成紧密、均匀的排列方式，这对于制造强韧材料至关重要。
当团队将这些经过预处理的粉末锻造成固体块时，性能差异非常显著。由磨粉时间较短的粉末制成的复合材料表现出明显的弱点，较大的颗粒成为了裂纹产生的起始点。然而，经过25小时处理的样品展现出了卓越的强度与韧性的结合。它们在开始发生永久变形前能承受282兆帕的力，并在断裂前能承受341兆帕的力，同时还能产生12.4%的伸长率。这种延伸率非常显著，这意味着材料不会像玻璃一样破碎，而是会弯曲和拉伸，在失效前吸收能量。这些成功样品的断裂表面呈现出均匀的微小凹坑图案，表明材料是均匀拉伸而非在薄弱点撕裂。相比之下，磨粉时间较短的样品显示出较大的、不规则的颗粒，这些颗粒触发了早期开裂。
这项研究证实，球磨预处理是定制这些先进复合材料性能的有力工具。通过简单地调整磨粉过程的时长，研究人员可以控制增强颗粒的大小以及铝基体的内部结构。在他们的实验中，25小时似乎是一个“黄金分割点”，此时颗粒足够小以实现完美分散，且铝结构也得到了充分精炼，从而在不牺牲过多延展性的情况下实现了强度的最大化。这种方法为创造既足够轻便以用于航空航天，又足够强韧以应对飞行严苛要求的铝基材料提供了一条切实可行的路径。这项工作表明，通过正确的准备工作，高熵合金增强铝的潜力可以得到充分实现，将一种粉末混合物转化为能够承受现代工程极端需求的材料。
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