APT与HRTEM揭示Al-Zn-Mg合金双峰时效中纳米颗粒组成与分数演变

摘要

本研究联合原子探针断层扫描（APT）与高分辨透射电镜（HRTEM），量化了Al-Zn-Mg合金双峰时效过程中析出相的尺寸、分数与化学组成。发现纳米颗粒Al含量强烈依赖尺寸：当量半径<3 nm颗粒含Al>50 at.%，>5 nm颗粒含Al<40 at.%。G.P.区向平衡η相转变经η′中间相，后者富集Mg、Zn并排挤Al。首个时效峰中G.P.区占纳米颗粒约85%，第二峰η′相主导（约55%）。即使过时效（T73）后，G.P.区仍存留约20%，η相约占63%，凸显其对力学性能的持续影响。

研究背景

Al-Zn-Mg（及Al-Zn-Mg-Cu）合金依靠析出强化获高强度。经典析出序列为：过饱和固溶体→相干G.P.区→半相干η′中间相→非相干平衡η（MgZn₂）相。早期工作在双阶段时效中鉴别出两个硬度峰，分别归因于G.P.区和η′相。但常规透射电镜（TEM）仅提供二维信息，难以准确确定析出相分数与组成。原子探针断层扫描（APT）具备三维亚纳米分辨率，可精准元素映射，独具优势填补此空白。虽有APT研究报道Al-Zn-Mg析出相Zn/Mg比和Al含量不一，但无工作全程跟踪整个时效序列中各析出相分数演变。本工作结合APT与HRTEM，全景呈现纳米颗粒演变，指导时效制度优化以提升合金性能。

实验方法

材料

研究合金（7N01）含4.06 wt.% Zn、1.30 wt.% Mg、0.30 wt.% Mn、0.18 wt.% Cr、0.13 wt.% Zr、0.05 wt.% Ti，余Al。试材经挤压、水喷淋淬火、自然时效72 h，再施行双阶段人工时效：100°C/12 h后接170°C不同时长。

表征

微硬度计测硬度。HRTEM（FEI Tecnai F20）观察析出相形貌与取向关系。APT数据采集于CAMECA LEAP 5000 XR（50 K，200 kHz电压脉冲）。试样制备采用两步电解抛光（10%高氯酸乙酸，继4%高氯酸丁氧基乙醇）。三维重构与成分分析用IVAS v3.8.0软件，以12.0 at.%（Mg+Zn）等浓度面界定析出相。

结果与讨论

双峰时效产生四个不同状态：欠时效（UA）、第一峰（PAI）、第二峰（PAII）、过时效（T73）。硬度数据（图1）证实从第一峰到第二峰硬度下降约15%。HRTEM图像（图2）显示：UA中全相干G.P.区，PAI中略粗化但仍相干，PAII中椭球形η′相伴随晶格畸变，T73中全非相干六方η相。

三维APT重构（图3）补充TEM观测并提供定量成分分布。UA中G.P.区平均厚度~2 nm，含Zn~13.8 at.%、Mg~9.4 at.%、Al~75.8 at.%（Zn/Mg≈1.5）。PAI中同类析出相膨胀至~2.5 nm，富集Zn（≈23.6 at.%）和Mg（≈17.2 at.%），Al降至~57.5 at.%。PAII析出相为椭球η′相，含Zn~30.3 at.%、Mg~25.7 at.%、Al~43.4 at.%（Zn/Mg≈1.2）。T73中平衡η相（~6 nm厚）含Zn~50.2 at.%、Mg~30.1 at.%、Al~17.7 at.%（Zn/Mg≈1.7）。明显的尺寸依赖Al趋势浮现：>5 nm颗粒Al<40 at.%，<3 nm颗粒Al>50 at.%。

分数分析（图5）显示：G.P.区在首峰主导（≈85%），随时效急剧下降。η′相升至第二峰峰值分数（~55%），T73中下降。η相在T73成为主体（~63%），G.P.区保留~20%。趋势证实双峰强化机制：首峰靠G.P.区，次峰靠η′，T73硬度下降因低效η相主导。

结论

1. 首峰时效合金中G.P.区占析出相~92.5%，Al含量>50 at.%，贡献最大硬度。
2. 第二硬度峰源于η′相（~54.5%）与残留G.P.区（~22.7%）混合。η′相尺寸与Al含量介于G.P.区与η相之间。
3. η相仅在第二时效阶段后出现，Al<40 at.%，当量半径>5 nm。T73中η相占~63%，Al含量随进一步时效逐渐下降。
4. G.P.区过时效中持存因Mg、Zn原子优先供给大尺寸η相，限制小尺寸G.P.区生长，使其保持富Al特性。