电流密度调控下2195铝锂合金电脉冲循环时效的微结构演变与力学性能优化机制

针对传统时效处理能耗高、周期长的问题，研究人员通过梯度电流密度（10-20 A/mm2）电脉冲循环时效（ECA）技术，揭示了电子风力与焦耳热协同调控2195 Al-Li合金中T1相(Al2CuLi)析出动力学的机制。研究发现20 A/mm2电流密度可在5小时内实现峰值强度（UTS 548 MPa），较传统T8时效缩短75%时间，同时阐明了PLC效应与S’相(Al2CuMg)导致的断裂模式转变，为航空航天材料高效节能处理提供新范式。

　　

在航空航天领域，2195铝锂合金因其轻质高强的特性成为关键结构材料，但其传统时效处理面临能耗高、周期长（如T8工艺需155°C/20小时）等瓶颈。尽管预变形、分级时效等改进工艺可将处理时间缩短至7-25小时，但高温能耗问题仍未根本解决。与此同时，电脉冲处理技术已在钢铁、钛合金等领域展现出高效节能优势，但其在铝锂合金时效过程中电流密度与析出行为的定量关系尚不明确。

针对这一科学难题，中南大学的研究团队创新性地采用梯度电流密度（10-20 A/mm²）电脉冲循环时效（ECA）技术，通过多尺度表征方法系统研究了2195 Al-Li合金的微结构演变规律。研究发现，不同电流密度下电子风力（非热效应）与焦耳热（热效应）呈现差异化协同机制：10 A/mm²时微观结构基本不变；15 A/mm²时电子风力主导位错重组并诱发Portevin-Le Chatelier（PLC）效应；而20 A/mm²条件下，热-非热协同作用使T₁相(Al₂CuLi)形核势垒降低，5小时内即达到峰值强度（抗拉强度548 MPa，屈服强度516 MPa），较传统工艺效率提升300%。

研究团队通过透射电镜、电子背散射衍射等技术，揭示了电流密度对断裂模式的调控规律：15 A/mm²处理试样表现为韧性穿晶断裂，而20 A/mm²时因晶界S’相(Al₂CuMg)析出导致脆性沿晶断裂。能效分析显示，ECA工艺总能耗仅为传统方法的17.8%，实现了强度-塑性协同优化。

该研究发表于《Materials Science and Engineering: A》，首次建立了电流密度-析出动力学定量关系模型，为航空航天材料绿色制造提供了理论依据。中南大学团队通过调控脉冲电流参数，不仅将时效周期压缩至传统工艺的25%，更开创了通过电子风力定向调控位错/析出相分布的新方法。这项突破性工作对推动铝合金加工技术向高效低碳转型具有重要指导意义，其揭示的热-电协同机制可拓展至其他合金体系，为新型材料设计开辟了新思路。

主要技术方法：采用梯度电流密度（10/15/20 A/mm²）ECA处理5mm厚2195 Al-Li合金板材，结合TEM观察位错构型、SAED分析析出相，通过电子探针定量溶质分布，并采用数字图像相关技术（DIC）分析PLC效应。

研究结果：

1. 初始微观结构：AR试样显示高密度随机分布的螺型位错，无析出相特征。
2. 电流密度效应：20 A/mm²时T₁相体积分数达12.7%，位错密度降低42%。
3. 断裂机制转变：ECA15试样延伸率18.2%表现为韧窝断裂，ECA20延伸率降至9.8%伴随晶界S’相析出。
4. 能效对比：20 A/mm² ECA总能耗2.7×10⁷J，仅为T8工艺的17.8%。

结论与意义：该研究证实电流密度是调控铝锂合金时效动力学的关键参数，20 A/mm²可实现热-电协同最优解，为发展短流程、低能耗材料加工技术提供了实验与理论基础。Lihua Zhan团队提出的电子风力辅助溶质扩散机制，为理解电场-缺陷交互作用提供了新视角，其建立的电流密度-性能定量关系模型对航空航天材料工艺优化具有直接指导价值。