室温超声波时效处理有助于2024铝合金实现强度与延展性的协同提升

《Materials Science and Engineering: A》：Room-temperature ultrasonic aging facilitates strength-ductility synergy in 2024 aluminum alloy

超声时效处理提升2024铝合金强度与延展性研究。通过20kHz超声振动（20μm振幅）在室温下施加160MPa压缩应力对AA2024合金进行15分钟处理，使屈服强度增至425MPa（提升55%），抗拉强度达535MPa（提升25%），延展性由14.1%微增至14.8%。研究表明S相（Al2CuMg）析出主导强化机制，低角度晶界形成协同优化强韧性能。超声时效为室温强化提供了新策略。

　　

吴洪林|李祖|傅寅东|侯秀丽|柯斌|朱显|张涛

广州大学物理与材料科学学院，中国广州510006

摘要：

可时效硬化的Al-Cu-Mg合金由于高效的沉淀强化作用而具有较高的比强度。然而，传统的时效处理方法受到强度-延展性矛盾的限制，而新型的多步时效处理需要严格的温度控制和复杂的工艺流程，这引发了能源方面的担忧。本研究介绍了一种创新的室温超声时效处理方法，旨在提高2024铝合金的强度和延展性。通过将2024铝合金置于约160 MPa（约60%屈服强度）的压缩应力下，并施加20 kHz频率、20 μm振幅的超声振动，处理15分钟后，其屈服强度和抗拉强度分别显著提高到425 MPa和535 MPa，分别提升了55%和25%；同时延伸率从14.1%略微增加到14.8%。这种强化机制主要归因于超声时效作用诱导形成的S相（Al?CuMg）沉淀物。此外，低角度晶界（LAGBs）的形成也被证实是保持延展性的关键因素。这些发现为2024铝合金实现优异的机械性能提供了一种新颖且有效的室温时效策略。

引言

可时效硬化的Al-Cu-Mg铝合金因其极高的比强度而在航空航天工业中得到广泛应用，这种强度主要源于高效的沉淀强化效应[1]、[2]。利用Al-Cu-Mg合金的可热处理特性，传统的时效处理通常采用单阶段工艺[3]来促进沉淀物的形核和生长，从而提升合金的机械性能[4]。此外，预变形时效处理也被作为一种增强Al-Cu-Mg合金性能的替代方法[5]。Gazizov等人[6]报告称，在时效处理前对Al-Cu-Mg-Ag合金进行预应变处理，使其抗拉强度从522 MPa提高至601 MPa，但延伸率从11%下降至5.8%。为了解决强度-延展性协同优化的关键问题，多步时效处理作为一种精确调控沉淀物演变的有效方法应运而生[7]。?sterreicher等人[8]采用了一种特定的多步时效流程：首先在190°C下预时效1小时，然后在室温下存放数天，最后在190°C下后时效8小时。结果表明，这种预时效处理促进了S相（Al?CuMg）的沉淀，有效消耗了溶质原子，抑制了自然时效过程中的不稳定性，从而使处理后的合金具有更好的机械性能，抗拉强度从470.6 MPa提高至477.8 MPa，延伸率从7.7%提高至8.3%。多步时效的有效性在于它能够在较低温度下通过精确控制加热速率和保温参数来调控纳米团簇的形核，进而促进其生长并转化为强化相。然而，这种方法通常需要严格的温度控制和复杂的工艺流程，这引发了能源消耗及与碳中和目标兼容性的问题。因此，开发创新且实用的时效处理方法仍是推进Al-Cu-Mg合金发展的关键研究方向。

超声振动辅助加工是一种创新的制造技术，通过显著降低变形阻力来提高表面完整性和成形效率。由于超声波具有优异的穿透深度和在固体介质中的高效能量传播特性，该方法在调节合金微观结构、加速位错动态以及控制晶界演变方面表现出显著效果[9]、[10]。先前的研究表明，在时效硬化处理过程中加入超声振动可以显著增强沉淀动力学[11]。Peslo[12]记录到，在时效过程中施加超声场的Al-Cu合金的时效硬化响应提高了30倍。这种加速硬化现象与棱柱形位错环的形成以及精细的Al?Cu沉淀物分布有关。在我们的最新研究中，对单相面心立方（FCC）CoCrNiCo?.?中熵合金（MEA）进行了室温超声处理，形成了相互连接的晶内碳化物网络，显著提升了强度-延展性协同效应[13]。此外，在AlCoCrFeNi?.?共晶高熵合金中的应用也带来了显著的性能提升[14]，这归因于B?相的沉淀增加、位错密度的提高以及激活的多滑移系统，使得相变更加协调，延缓了颈缩现象。这些成功应用证明了超声振动处理在沉淀物驱动的性能优化中的有效性。因此，在本研究中，我们对2024铝合金（AA2024）进行了不同处理时间的超声时效处理，结果表明超声时效能够诱导S相沉淀物的形成，并提升了AA2024的强度-延展性协同效应。同时，通过结构分析和原子模拟系统探讨了超声时效下AA2024强度-延展性协同效应的机制。

材料与方法

本研究中使用的AA2024合金来自广东海美新材料有限公司提供的商用挤压棒材（Ф10 mm），这些棒材已经经过了固溶处理。AA2024的化学成分详见表1。随后将这些棒材切割成截面面积为4 × 12 mm2、高度为3 mm的试样。实验前，试样表面依次使用不同粒度的砂纸（240 #、800 #）进行打磨。

结果

图2(a)显示了AA2024在超声时效处理10分钟、15分钟和20分钟前后的XRD结果。α-Al基体主要为面心立方（FCC）晶体结构，其中含有少量Al?CuMg相（即S相）的衍射峰，这是AA2024典型的时效强化相[20]、[21]。插图放大了主衍射峰，清晰地显示了峰宽的增加和角度偏移。

AA2024在超声时效过程中的微观结构演变

图5展示了AA2024原始状态的透射电子显微镜（TEM）图像。图5(a)中，浅灰色区域代表Al基体，其中分散着长度在30至500 nm之间的棒状沉淀物。图5(b)的放大视图显示了短棒状特征（用蓝色箭头标记）和片状相（用黄色箭头指示），这两种相在Al基体中均匀分布。

结论

本研究对AA2024进行了不同时间的室温超声时效处理（例如10分钟、15分钟和20分钟），通过结构分析和原子模拟系统地研究了时效处理前后的微观结构演变和机械性能变化。主要结论如下：

(1)

超声时效在Al基体中诱导形成了S相沉淀物，S相的量达到最大值

作者贡献声明

李祖：撰写——初稿、方法论、概念构思。吴洪林：实验研究、数据整理。朱显：资源支持。柯斌：资源支持。侯秀丽：结果验证、软件使用。傅寅东：实验研究、数据整理。张涛：撰写——审稿与编辑、监督、资源协调

数据可用性

数据可应要求提供。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号：52441401、52371104）、广州市基础研究计划（项目编号：202201020138）、广州市科学技术局科技计划项目（项目编号：2025A03J3107）以及广州大学研究生创新培训计划（项目编号：JCCX2024049）的财政支持。