通过电脉冲增强大幅预变形的2195铝锂合金的蠕变老化响应

《Materials Research Bulletin》：Enhancing the creep ageing response of largely pre-deformed 2195 aluminum lithium alloy by electric pulse

铝锂合金大预变形结合电脉冲辅助时效显著提升蠕变成型性，电脉冲诱导位错重组加速时效析出，使处理时间减少94%同时保持高强度和高延伸率。

　　在当今材料科学与工程领域，轻质合金因其优异的强度重量比和耐腐蚀性，广泛应用于航空航天、汽车制造及高端电子设备等关键领域。然而，铝锂合金（Al-Li）在实际应用中仍面临诸多挑战，尤其是在其蠕变时效成形（Creep Age Forming, CAF）过程中，如何在不损害成型后机械性能的前提下实现增强的蠕变成形能力，一直是科研和技术发展的核心难题之一。本文围绕这一问题，聚焦于2195铝锂合金，通过将大预变形（Large Pre-Deformation, LPD）与电脉冲辅助蠕变时效（Electric Pulse-Assisted Creep Ageing, ECA）相结合，系统研究了电脉冲对蠕变变形、机械性能及微观结构演变的影响，为高效率、高质量的铝锂合金成形技术提供了新的思路。

2195铝锂合金作为一种高性能轻质合金，因其优异的强度和抗疲劳性能，在航空航天结构件中具有重要的应用价值。然而，传统的CAF工艺在提升其蠕变成形能力方面存在一定的局限性。通常情况下，铝锂合金在常规的时效处理条件下表现出较低的蠕变应变，这在一定程度上限制了其在复杂形状构件制造中的应用。为解决这一问题，近年来的研究逐渐将目光转向了预变形与电脉冲辅助技术的结合，以期在提升材料蠕变成形能力的同时，优化其机械性能。

大预变形技术是一种通过在材料加工前施加较大塑性变形，从而改变其初始微观结构的方法。研究表明，这种技术能够显著增强材料的蠕变应变和强度，同时保持一定的延展性。例如，在AA2524合金中，预变形不仅提升了其蠕变应变，还显著增强了其强度。而在AA2219合金中，大预变形进一步改善了其蠕变成形能力。这些研究揭示了预变形在调控材料内部位错结构方面的重要作用，位错密度的增加和分布的优化有助于提升材料在后续时效过程中的响应能力。

与此同时，电脉冲技术作为一种非热效应的物理手段，也被广泛应用于材料加工和性能优化领域。电脉冲通过施加高强度电流，能够在材料内部引发复杂的位错运动和微观结构变化。例如，在Ti-7Al合金中，电脉冲促使位错形成复杂的空间分布形态，这种形态不能简单地用电子风力解释，而是与材料内部短程有序区域的改变密切相关。此外，在单晶硫化锌中，位错的运动可以被外部电场精确控制，位错沿着电场方向移动，表现出高度的可操控性。这些发现表明，电脉冲不仅能够影响材料的位错行为，还能在一定程度上改变其微观结构，从而提升材料的力学性能。

在实际应用中，电脉冲辅助技术对铝锂合金的蠕变时效成形具有显著的促进作用。例如，对于AA7150合金，电脉冲处理能够提高其蠕变应变，同时减少位错密度，尽管对机械性能的影响不明显。对于2195合金，电脉冲在早期阶段的引入显著提升了其蠕变应变，而在后期阶段则有助于提高延展性。这些研究结果表明，电脉冲不仅能够加速材料的蠕变变形过程，还能通过调控位错运动和微观结构演变，实现对材料性能的优化。

本研究进一步探索了将大预变形与电脉冲辅助技术相结合在2195铝锂合金中的应用效果。实验结果显示，电脉冲处理能够显著增强材料的蠕变时效响应，同时大幅缩短时效时间。具体而言，经过电脉冲辅助的蠕变时效（ECA）处理后，2195合金的蠕变应变在1小时内达到了0.174%，这一数值是未施加电脉冲的常规蠕变时效（NICA）处理的2.1倍，甚至与常规处理16小时后的结果相当。这意味着，通过电脉冲辅助技术，可以在极短时间内实现与传统时效处理相当的性能提升，极大地提高了加工效率。

此外，实验还发现，电脉冲处理对材料的机械性能具有积极影响。在1小时的ECA处理后，材料的屈服强度达到了560 MPa，延展性为6%，这与传统时效处理16小时后的T34温控性能相当。这一结果表明，电脉冲不仅能够加速材料的蠕变变形，还能在不牺牲延展性的前提下显著提升其强度，从而为铝锂合金的高性能成形提供了一种全新的技术路径。

从微观结构的角度来看，电脉冲处理对材料内部位错的重新分布起到了关键作用。在大预变形后的材料中，位错呈现出高度不均匀的分布状态，这种状态通常以长条状的位错缠结为特征。然而，经过电脉冲处理后，这些位错缠结被分解为更加分散的位错结构，位错之间的相互作用减弱，从而提高了位错的移动能力。同时，电脉冲促进了T1析出相的快速形核和生长，这种析出相的形成对于材料的强度提升具有重要意义。通过这些机制，电脉冲不仅能够提升材料的蠕变应变，还能在时效过程中实现快速强化，为材料的高效成形提供了理论支持。

综上所述，本研究通过将大预变形与电脉冲辅助技术相结合，成功地提升了2195铝锂合金的蠕变时效成形性能。实验结果表明，电脉冲处理能够在短时间内显著增强材料的蠕变应变和强度，同时保持其延展性，为高效率、高质量的铝锂合金成形技术开辟了新的方向。这种技术的引入不仅有助于缩短加工周期，降低生产成本，还能在一定程度上优化材料的微观结构，提高其综合性能。因此，电脉冲辅助技术在铝锂合金的加工与性能优化中展现出广阔的应用前景。