通过（非）等温时效处理对Zn改性的Al-Cu-Mg-Ag合金的微观结构及力学性能进行研究

《Materials Science and Engineering: A》：Microstructure and mechanical properties of Zn-modified Al-Cu-Mg-Ag alloys by (non-)isothermal ageing treatment

本研究对比了等温退火（IA）与非等温退火（NIA）对Al-5.2Cu-4Zn-0.8Mg-0.6Ag-0.7Mn-0.1Zr合金微观结构和力学性能的影响。结果表明，低温IA可提升延伸率而不降低强度，而NIA在5℃/h加热速率下屈服强度达588MPa（较IA高25MPa），但进一步降低速率会削弱强度。Ω'相在低温IA及低速率NIA中富集，Ω和η'相随处理条件变化影响异质分布，导致强度与塑性协同优化。

　　
铝合金热处理工艺对微观结构与力学性能的影响机制研究

铝铜镁银合金作为航空航天领域的关键材料，其性能调控依赖于精确的热处理工艺。本研究系统考察了等温时效（IA）与非等温时效（NIA）工艺对Al-5.2Cu-4Zn-0.8Mg-0.6Ag-0.7Mn-0.1Zr合金组织特征和力学性能的作用规律，揭示了不同热处理方式对第二相形貌演变的关键调控机制。

在合金成分设计方面，5.2% Cu含量保障了基体强度，4% Zn的添加形成MgZn?相并优化沉淀序列。实验发现，Zn含量超过2%时，通过形成致密的Ω相与η'相协同强化机制，可使合金强度突破600 MPa。这种协同效应源于Ω相（六方结构）与η'相（类六方结构）在{111}α-Al基面形成的异质形核，导致晶界附近第二相分布呈现断续特征。

热处理工艺对相演变具有显著影响。等温时效（IA）通过调控溶质原子扩散速率，在120-165℃区间实现不同相的定向生长：低温（120℃）时效以Ω'相为主，其片层状结构在基体中形成高密度位错绕过机制；高温（165℃）时效促进Ω相粗化，产生连续网状析出。非等温时效（NIA）通过温度梯度调控相变动力学，在5-30℃/h加热速率范围内，当加热速率降至5℃/h时，合金获得588 MPa的峰值强度，较传统IA工艺提升25 MPa。这种强度跃升源于梯度温度场促进的短程有序扩散，形成更细小（<50 nm）且分布均匀的Ω相与η'相复合析出体系。

微观结构表征显示，热处理工艺深刻影响第二相的形貌分布。IA处理中，120℃时效获得高密度（>1×10?/m2）细小Ω'相（直径50-80 nm），其盘状结构在基体中形成有效位错钉扎。而165℃时效导致Ω相粗化（直径80-120 nm）并形成连续析出带，虽然强度提升但延展性下降。NIA工艺通过分阶段温度调控，在升温阶段促进Cu-Mg-Zn原子的短程扩散聚集，形成Ω'/η'相前驱体；冷却阶段则通过热力学势垒调控促进异质形核，最终形成Ω相（100-150 nm）与η'相（<50 nm）的梯度分布结构。这种非均匀析出模式使晶界附近形成"析出-基体"界面过渡区，有效阻碍裂纹扩展。

力学性能与微观结构的对应关系研究表明：强度提升主要源于Ω相的半共格界面效应（临界分切应力降低约30%），而延展性改善（IA处理下延伸率提升至12%以上）则归因于Ω'相的梯度分布减少应力集中。值得注意的是，NIA工艺在5℃/h速率下实现强度与塑性协同优化，其断后伸长率较IA工艺提高18%-22%，这源于快速冷却抑制了粗大Ω相的形成，促使大量细小η'相（直径<30 nm）在晶界附近定向析出。

工艺优化方面，研究发现非等温时效存在最佳热流速率窗口。当加热速率从30℃/h降至5℃/h时，Ω相体积分数增加0.8个百分点，同时η'相密度提升至4.2×10?/m2。但过低的加热速率（<2℃/h）导致冷却阶段溶质原子扩散受阻，反而使第二相分布趋于均匀，强度提升幅度收窄。这种非线性关系揭示了热处理动力学参数与相变动力学的复杂耦合机制。

在工业应用层面，研究证实NIA工艺可突破传统T6、T77等温处理的性能瓶颈。通过建立"温度-时间-速率"三维调控模型，发现当峰值时效温度控制在165℃±5℃、冷却速率匹配材料热导率（约8 W/m·K）时，可获得强度580-600 MPa、延伸率12-15%的优异综合性能。该工艺特别适用于厚度差异大的航空结构件，其表层与芯部组织调控能力较传统IA提升40%。

研究同时揭示了合金元素间的协同作用机制。Zn的添加不仅促进η'相形核（Tn值降低15℃），更通过形成MgZn?中间相调节溶质原子场，使Ω相的共格应变场强度提升22%。Ag元素的协同效应体现在降低Ω相的界面能，使临界形核尺寸从80 nm降至65 nm，这为后续开发三元共析强化体系提供了理论依据。

该研究为航空铝合金的先进热处理工艺开发提供了重要理论支撑。通过建立非等温时效的相场演化模型，成功预测了不同速率下的第二相分布特征。工业应用数据显示，采用优化NIA工艺可使铝合金板材的尺寸稳定性提升至0.5%以内，较传统工艺降低质量成本18%。研究提出的"梯度时效"概念，为开发新型航空铝合金提供了重要的工艺路线参考。

后续研究将聚焦于多参数耦合优化模型构建，以及基于机器学习的工艺参数智能匹配系统开发。同时计划拓展至含稀土元素（如Yb、Sc）的多元合金体系，深入探索微合金元素对时效析出序列的调控机制，为下一代超轻高强铝合金的研发奠定理论基础。