通过摩擦搅拌固溶处理和退火硬化工艺制备的超强延展性镍铝青铜合金

《Journal of Alloys and Compounds》：Ultrastrong ductile nickel-aluminum bronze alloys through friction stir solutionizing and anneal-hardening

铜铝镍铁合金经摩擦搅拌加工（FSP）及退火处理后，微观结构与性能优化研究。通过空气与水下FSP对比及不同退火温度（250-650°C）处理，发现Cu-10Al-5Ni-5Fe合金在500°C退火2小时时，晶粒细化与纳米级κ相析出协同作用，使抗拉强度达1200 MPa，延伸率40%，同时腐蚀电位提升，电流密度降低，耐蚀性显著改善。水下FSP因快速冷却更易形成细晶结构，退火优化了相分布，减少残余应力，增强材料综合性能。

　　该研究聚焦于铜基合金在摩擦搅拌处理（FSP）后的退火热处理对其微观结构和机械性能的影响。所研究的合金包括Cu-10Al、Cu-10Al-5Ni以及Cu-10Al-5Ni-5Fe，其中Cu-10Al-5Ni-5Fe合金在退火处理后展现出最佳的机械性能。研究还探讨了在空气和水浸式冷却环境下，FSP对合金性能的影响差异。通过分析不同退火温度（250°C、300°C、500°C和650°C）对合金微观结构和性能的演变，研究团队发现了在500°C下进行退火处理能够显著促进二次相析出，从而提高合金的热稳定性和再结晶细晶结构。这种优化后的合金不仅具有较高的强度（高达约1200 MPa）和良好的延展性（高达约40%的断裂伸长率），还表现出优异的耐腐蚀性能。

### 合金的结构特性

镍铝青铜（NAB）是一种通过在铝青铜（Cu-Al）中添加镍、铁和锰元素而形成的金属合金。这些合金因其卓越的耐腐蚀性、耐磨性和抗空泡性能，广泛应用于海洋工业。在铸造过程中，铝青铜合金由于冷却速率和热处理的影响，可能会形成一种称为γ?的脆性相，这会降低其耐腐蚀性。然而，NAB合金的引入通过形成κ相（包括富铁的κⅠ、κⅡ和κⅣ以及富镍的κⅢ和κⅤ）替代了γ?相，从而改善了合金的机械性能。不同温度下的热处理能够显著改变这些相的分布和形态，进而影响合金的整体性能。

### 退火处理对微观结构的影响

研究团队利用差示扫描量热法（DSC）分析了不同退火温度对合金微观结构的影响。通过DSC曲线，他们发现两种放热峰分别对应于β'相的转变和二次相析出过程。在500°C的退火处理下，二次相析出显著增强，形成了更细的晶粒结构。这一现象在水浸式FSP处理的合金中尤为明显，因为水的冷却速率较高，有助于控制晶粒和析出相的演变。此外，通过光学显微镜、场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）和扫描透射电子显微镜（STEM）等技术，研究团队详细观察了退火处理后的合金微观结构。结果显示，随着退火温度的升高，二次相的体积分数增加，但晶粒尺寸的减小和析出相的细化在500°C时达到最佳效果。这表明，500°C的退火温度在促进二次相析出和提高机械性能方面具有关键作用。

### 机械性能的变化

退火处理对合金的机械性能有显著影响。研究团队通过显微硬度测试和拉伸测试分析了不同退火温度下的性能变化。结果显示，在空气和水浸式FSP处理后，退火处理在500°C时表现出最佳的硬度和强度提升效果。特别是在水浸式处理条件下，合金的显微硬度和拉伸强度显著高于空气处理的情况。这是由于水浸式处理有助于形成更细的晶粒结构和更多的二次相析出，从而提高了合金的强度和硬度。此外，退火处理还促进了合金的延展性，使得断裂伸长率提升至约40%。这表明，通过优化退火温度和处理条件，可以有效改善合金的综合机械性能。

### 耐腐蚀性能的提升

除了机械性能，退火处理对合金的耐腐蚀性也有重要影响。研究团队通过电化学阻抗谱（EIS）和极化曲线分析了退火处理对合金耐腐蚀性能的影响。结果显示，退火处理后，合金的耐腐蚀性显著提高。具体表现为：腐蚀电流密度降低、腐蚀电位提高以及Nyquist图中电容弧直径增大。这些变化说明退火处理有助于形成更均匀的微观结构，并减少晶界和残余应力的影响，从而提高合金的耐腐蚀能力。特别是在水浸式FSP处理后进行500°C退火的Cu-10Al-5Ni-5Fe合金，表现出最优异的耐腐蚀性能，这与二次相析出和晶粒细化密切相关。

### 不同合金成分的对比

研究还比较了不同合金成分在退火处理后的性能差异。Cu-10Al-5Ni-5Fe合金在退火处理后表现出最高的强度和延展性，这归因于其独特的合金成分和退火条件。相比之下，Cu-10Al-5Ni合金在退火处理后硬度有所提升，但强度和延展性不如Cu-10Al-5Ni-5Fe合金。而Cu-10Al合金在退火处理后，由于形成较多的α相，硬度有所下降，但延展性显著提高。这表明，合金成分的优化对于提高机械性能和耐腐蚀性至关重要。

### 退火处理对裂纹形貌的影响

此外，研究团队还分析了退火处理对合金裂纹形貌的影响。通过FE-SEM显微镜观察退火处理后的断裂表面，他们发现，随着晶粒结构的细化和二次相析出的增加，裂纹的形貌和尺寸发生变化。特别是在水浸式FSP处理和500°C退火的合金中，裂纹呈现更细的凹坑状结构，这表明合金在断裂时能够吸收更多的能量，从而提高了其延展性。相比之下，空气处理的合金在断裂表面表现出更大的凹坑和孔洞，这说明其机械性能和延展性相对较低。

### 与文献的对比

研究团队还对比了他们的研究成果与现有文献中的数据。结果显示，Cu-10Al-5Ni-5Fe合金在退火处理后的机械性能和耐腐蚀性优于以往报道的其他NAB合金。特别是其在500°C退火后的强度和延展性达到最佳平衡，这可能是目前研究中报告的最优秀性能之一。这一发现为未来NAB合金的开发和应用提供了新的思路和方法。

### 结论

综上所述，该研究通过优化退火处理条件和FSP技术，成功开发出一种具有优异机械性能和耐腐蚀性的NAB合金。Cu-10Al-5Ni-5Fe合金在500°C退火处理后表现出最佳的强度（约1200 MPa）和延展性（约40%），并且其耐腐蚀性能也显著提升。这些结果表明，通过合理的退火温度和冷却环境选择，可以有效改善NAB合金的综合性能，从而满足海洋工业对高性能材料的需求。此外，该研究还强调了合金成分优化和热处理工艺对材料性能的重要性，为后续研究提供了宝贵的参考。