《Journal of Alloys and Compounds》：Synergistical enhancements of strength and electrical conductivity of Al-Cu-Er alloy by two-stage annealing
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通过Er微合金化和两阶段退火（300°C/3h+200°C/24h）协同作用，显著优化Al-1.0Cu-0.25Er合金的综合性能，实现强度（62.4 HV）、电导率（60.5% IACS）和热稳定性（154°C下强度保留率>90%）的协同提升，解决传统Al-Cu合金中强度-电导率-热稳定性三重矛盾。
谢成曦|刘腾蛟|文胜平|梁尚尚|吴伟|吴晓兰|黄辉|高坤源|聂作人
北京工业大学材料低碳回收国家重点实验室，中国北京100124
摘要
本研究旨在显著缓解铝铜合金在强度和导电性之间的固有矛盾，同时提高其热稳定性。我们研究了Er微合金化和热处理对Al-1.0Cu-0.25Er合金的影响。对轧制后的合金进行等时退火和等温退火实验发现，单一退火过程无法同时优化这两种性能，主要是因为Er（约300°C）和Cu（150–250°C）的沉淀温度范围不同。为此，我们开发了一种新的两阶段退火工艺（300°C/3小时 + 200°C/24小时），通过这种工艺实现了协同效应：首先在高温下优先沉淀热稳定的Al?Er纳米颗粒，然后在低温下沉淀强化相Al?Cu（θ'）。这种方法获得了优异的性能组合，硬度达到62.4 HV，导电率为60.5% IACS，抗拉强度为195 MPa。此外，该合金表现出出色的热稳定性，在154°C时仍保持超过90%的强度，预计使用寿命约为40年（350,000小时）。研究表明，Er微合金化与两阶段退火相结合是开发高性能铝铜合金的有效策略，可以部分解耦强度、导电性和热稳定性之间的关系。
引言
铝铜合金因其轻质、低成本以及优异的导电性和加工性能，已成为电力传输（如架空导线、母线）和新能源设备（如充电堆导体、储能装置连接线）的核心导电材料[1]、[3]。然而，机械强度与导电性之间的固有矛盾，加上在长期使用条件下的热稳定性不足，已成为限制铝铜合金进一步发展和应用的核心挑战[4]、[7]。
铝铜合金的优异机械性能主要来源于强化相（θ'-Al?Cu）的沉淀和微观结构的细化。Al?Cu沉淀物通过位错钉扎和界面强化来提高强度，但这些沉淀物和基体中的残余溶质原子会增加电子散射，从而降低导电性[2]。同时，纯铝铜合金的耐热性较差——在高温下容易发生再结晶和沉淀物粗化，导致快速软化和性能下降[8]、[9]、[14]。长期以来，如何显著缓解这种“强度-导电性-耐热性”之间的矛盾一直是铝合金材料研究领域的重点。
为了解决这一挑战，相关研究主要集中在两个方向：微合金化改性和热处理/热机械工艺优化。在微合金化方面，稀土元素和过渡金属（如Zr、Ti）因其独特的原子结构和与铝基体的相互作用而受到广泛关注。其中，Zr形成的Al?Zr沉淀物具有一定热稳定性，但其沉淀动力学较慢，且与α-Al的晶格失配较大，导致电子散射较大；Ti倾向于形成粗大的TiAl?相，从而降低合金的延展性和导电性[21]。Sc通过Al?Sc沉淀物也显示出显著效果，但其成本较高（约为Er的80-100倍），限制了其大规模工业应用[13]、[16]。相比之下，Er作为一种高效的微合金元素具有更大的潜力。Er在铝基体中形成L12结构的热稳定Al?Er纳米颗粒，这种相不仅能够钉扎位错和晶界，抑制再结晶和沉淀物粗化[6]、[10]，而且Al?Er相与α-Al的面心立方（FCC）结构之间的晶格失配较小，因此不太可能引起晶粒粗化，对电子散射的影响也较小[12]、[17]。这为改善合金的强度和导电性平衡提供了重要的结构基础。
在工艺优化方面，传统的单阶段时效工艺往往无法协调不同强化相的沉淀，因为它们的沉淀温度范围不同。例如，Al?Cu（θ'）相的沉淀温度通常为150-250°C，而Al?Er相的沉淀温度约为300°C[5]、[11]。单阶段退火要么优先形成Al?Cu相但抑制Er的沉淀，要么促进Al?Er的形成，但会使得Al?Cu重新溶解和再结晶，难以同时优化强度、导电性和耐热性。高压扭转（HPT）等严重塑性变形工艺可以细化晶粒并增加位错密度以提高强度，但往往会导致导电性显著下降，只能通过后续退火部分恢复[18]。此外，对该合金热稳定性和长期使用可靠性的定量表征不足，限制了其在新能源设备冷却部件和高温电缆等高温条件下的应用[3]、[15]。
为了解决这些挑战，本研究重点研究了Er微合金化和新型两阶段退火工艺对铝铜合金的协同效应。通过引入Er作为微合金元素，并设计“高温+低温”两阶段退火工艺，旨在开发出强度、导电性和耐热性部分解耦的高性能合金，为优化铝基导电材料的性能提供了新的策略。
材料与制备方法
合金采用锭冶金法制备。实验材料包括Al-6Er（重量百分比）、Al-50Cu中间合金和工业级纯铝。将工业级纯铝和母合金放入坩埚中，在780°C下熔化，铸造成1#和2#合金。熔融金属充分搅拌后倒入铸模中，完全固化后脱模，得到尺寸约为180×80×30毫米的锭材。
Al-Cu-(Er)合金的导电性能等时退火
对1#（Al-1.0Cu-0.25Er）和2#（Al-1.0Cu）合金的冷轧样品进行了等时退火处理。图3(a)显示了1#和2#合金在等时退火过程中的硬度随温度的变化情况。两种合金在退火过程中硬度均有所增加，1#合金的硬度峰值分别为67.8 HV和67 HV。随后，硬度随温度的升高而以不同的方式下降：
结论
研究表明，Er微合金化与定制的两阶段退火工艺的协同作用显著缓解了铝铜合金中的传统强度-导电性矛盾，同时提高了其热稳定性。主要研究结果如下：
(1)等时退火分析表明，添加Er显著提高了合金的再结晶温度。更重要的是，在250–325°C的退火范围内，
CRediT作者贡献声明
聂作人：项目监督、项目管理、资金筹集。高坤源：数据分析。吴伟：数据分析。梁尚尚：数据分析。黄辉：数据分析。吴晓兰：数据分析。谢成曦：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、验证、实验研究、数据分析、数据整理。文胜平：项目监督、项目管理、资金筹集、概念构思。刘腾蛟：实验研究、数据分析、数据整理。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52494943）的支持。
