电脉冲实现铝铜锂合金快速均匀蠕变时效行为

《Materials Science and Engineering: A》：Electropulsing enables rapid and uniform creep aging behavior of Al-Cu-Li alloys

　　

摘要

Al-Cu-Li合金因其优异的比强度和损伤容限，在航空航天领域具有极高的应用吸引力。然而，在常规热处理条件下，其变形效率低、应力敏感性高，限制了其在蠕变时效成形中的应用。为解决上述问题，本研究提出了脉冲电蠕变时效（ECA）技术，以高能脉冲电流作为唯一热源。在100至300 MPa的不同应力水平下，分别采用ECA和常规炉式蠕变时效（FCA）进行了对比实验。结果表明，ECA在一小时内即可实现更高的蠕变应变，最高可达24小时FCA所得值的1.66倍，而能耗仅为后者的6.9%。此外，ECA显著降低了合金的应力敏感性，使应力梯度下变形更加均匀。微观结构表征揭示，增强的蠕变响应源于非热电子风力。该力降低了位错运动的激活能，促进位错切过T₁相，同时不改变析出物的类型、尺寸或分布。重要的是，由于T₁相的微观结构稳定性以及位错-析出物相互作用的可逆性，合金保留了其机械强度和塑性。这些发现表明，ECA为高强度Al-Cu-Li合金零件的精密成形提供了一种高效、节能且均匀性可控的方法。

引言

Al-Cu-Li合金凭借卓越的比强度、优异的损伤容限和良好的低温性能[1]、[2]、[3]，已成为新一代航空航天轻量化的关键材料体系。这些特性使其成为制造大型复杂薄壁件（如燃料箱和舱段）的理想材料。在精密制造此类零件的过程中，蠕变时效成形（CAF）技术因其潜在的单工艺一体化成形与强化能力而备受关注[4]。然而，将该技术应用于Al-Cu-Li合金受到一个根本性结构矛盾的制约，该矛盾源于材料的独特微观结构特征和常规热处理技术的固有局限[5]、[6]、[7]。

材料的本征行为表明，在标准蠕变时效条件下，Al-Cu-Li合金的宏观可变形性明显低于常规高强铝合金[8]。这一现象主要归因于该合金独特的强化机制。锂原子在铝基体中引起的晶格畸变产生了显著的固溶强化效应，有效抑制了位错运动并提高了扩散控制过程的能垒[9]。此外，Al-Cu-Li合金在时效过程中形成的纳米级共格和半共格析出物具有极高的稳定性[10]、[11]、[12]。其与基体的低界面能使其即使在高温条件下仍能保持有效的位错钉扎作用，进一步增强蠕变抗力[13]。同时，这些析出物在晶内和晶界的均匀分布有效抑制了晶界滑动[14]。该合金较高的弹性模量也导致在等效外载荷下可用于驱动塑性变形的有效应力分量更低[15]、[16]。上述微观机制的协同效应赋予了Al-Cu-Li合金在常规时效过程中高阻力、低应变的宏观响应特征。

这种材料特性与工程实际需求产生了显著冲突。为实现足够的成形精度，通常需要延长保温时间或提高处理温度。常规炉加热的热惯性强、热效率低等缺点加剧了工艺周期长和能耗高的问题[17]。这在成形复杂曲率零件时尤为突出。此类零件固有的应力梯度会严重影响变形均匀性：低应力区域的蠕变变形尤为不足，无法满足整体轮廓精度要求[18]、[19]、[20]。补偿通常需要延长工艺时间，从而陷入低应变、长周期、高能耗的恶性循环。因此，克服Al-Cu-Li合金本征变形特性与工艺效率之间的制约，是发展其先进成形技术的关键科学挑战。

解决这一矛盾需要开发能够同时提高工艺效率和改善应力梯度下变形均匀性的新方法。在此背景下，外场辅助技术，尤其是脉冲电处理，展现出显著的潜力。该技术在多种材料体系中通过非热效应主动调控微观结构和变形机制的能力已被证实。早期研究表明，在变形过程中施加周期性脉冲电流可显著提高金属材料的塑性[21]、[22]、[23]。这种电塑性效应的主要优势在于其高能效，与传统热处理相比，以远少的电能即可获得相当的成形效果[24]，具有明显的经济效益。该技术已成功应用于改善钛合金[25]、[26]、铝合金[27]、镁合金[28]、锆合金[29]以及各类钢铁材料[30]的成形性。其微观机制涉及脉冲电流诱导的析出物溶解、缺陷处应力集中的松弛以及促进位错运动等效应[31]。对于Al-Cu-Li合金体系，高能脉冲电处理的核心价值在于其作用超越单纯的焦耳加热。由高密度脉冲电流引起的非热效应，如电子风力，可以直接影响原子扩散和位错运动等本征过程[32]、[33]。初步研究已证实脉冲电处理可显著加速该合金的时效动力学并增强其蠕变可变形性[34]、[35]，为同时解决CAF中的效率和均匀性挑战提供了一条有前景的技术途径。

值得注意的是，在蠕变时效过程中，高能脉冲电场与外应力场的耦合产生了一个独特的电热力多场环境[36]。这种耦合可能会从根本上改变材料的变形机制，从而影响其蠕变行为固有的应力敏感性。尽管脉冲电处理提高加工效率的潜力已被认可，但对于多场耦合条件下其如何影响Al-Cu-Li合金应力依赖的蠕变响应和微观结构演变的系统性理解仍然缺乏。关键在于，脉冲电处理如何通过微观结构调控改善应力梯度场内宏观变形均匀性的机制尚不清楚。

为填补这些研究空白，本研究系统比较了Al-Cu-Li合金在不同恒定应力水平下，分别以常规炉加热或高能脉冲电流作为热源的蠕变时效行为和微观结构演变。通过分析宏观蠕变曲线和时效后的力学性能，并结合透射电子显微镜（TEM）、扫描电子显微镜（SEM）和准原位电子背散射衍射（EBSD）等多尺度表征技术，本工作着重定量研究析出物演变、位错构型和晶界特征。主要目标是阐明脉冲电处理与应力场耦合对合金蠕变应力敏感性和变形均匀性的影响，并揭示其微观物理机制。研究成果旨在为开发一种新型、高效、精密且均匀性可控的脉冲电蠕变时效成形工艺提供理论基础。

章节片段

材料蠕变时效工艺

本研究使用的Al-Cu-Li合金由中铝西南铝业（集团）有限公司供应，名义厚度为5 mm。经光谱分析确定的化学成分为Al-4.02 w t.% Cu-1.08 w t.% Li-0.43 w t.% Mg-0.37 w t.% Ag-0.11 w t.% Zr。供应态（AR试样）板材为T8状态（固溶热处理后经冷轧和人工时效）。蠕变试样沿板材轧制方向加工

初始微观结构

图2展示了沿[110]_Al晶带轴拍摄的高角环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）图像，揭示了供应态（AR）材料中析出物的形貌、类型和分布。图像呈现出T8状态特有的析出物微观结构特征。图2(a)中可见高密度的细小析出物。在[110]_Al投影下，T₁析出物呈现出其特征性的薄板状形貌

讨论

上述结果表明，以脉冲电流作为唯一热源可显著提高Al-Cu-Li合金蠕变时效的效率，且不损害其力学性能，同时降低了合金的应力敏感性，从而提高了变形均匀性。基于这些发现，以下讨论首先从能耗角度对两种工艺进行对比。随后探讨

结论

本研究证明了脉冲电蠕变时效（ECA）是一种创新且高效的Al-Cu-Li合金快速成形策略。主要结论如下：

• (1)
  ECA在加工效率方面实现了突破。其在一小时内实现的蠕变应变为常规炉式时效（FCA）24小时所得值的1.66倍，而能耗仅为FCA工艺所需能量的6.875%。
• (2)
  ECA显著降低了应力

作者贡献声明

张利华： 监督指导、项目管理、调查研究、资金获取。辉胜萌： 撰写原稿、可视化、验证、软件、方法学、调查研究、形式化分析、数据整理

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文所述工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

数据可用性

数据可应要求提供。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文所述工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本工作得到以下机构的资助：国家自然科学基金（编号 U22A20190）、国家自然科学基金（编号52475418）、湖南省湖湘青年人才计划（编号2024RC3031）、极端服役性能精密制造国家重点实验室（编号ZZYJKT2024-07）以及湖南省研究生科研创新项目（编号CX20250191）。

辉胜萌 | 张利华

中南大学轻合金研究所，长沙 410083，中国