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本论文提出一种高频脉冲电流处理（HFPC）的后处理技术，用于优化SiC/2009Al复合材料的微观结构和力学性能。通过系统研究不同电流频率（1000-20000 Hz）对材料再结晶机制和微观组织演变的影响，发现10000 Hz时晶粒尺寸从1.57 μm细化至1.49 μm，抗拉强度提升38.36%，延展率提高9.78%，硬度达288 HV。
Xinru Li|Ruifeng Liu|Xiaozhe Sun|Tao Qin|Bingxin Guo|Wenxian Wang
太原理工大学材料科学与工程学院，中国山西省太原市，030024
摘要
为了解决粉末冶金在制造SiC/2009Al复合材料及其后续使用过程中存在的局限性，并进一步优化复合材料的微观结构和力学性能，本研究创新性地提出了一种采用“高频脉冲电流处理”的后处理技术。系统研究了电流频率对SiC/2009Al复合材料再结晶机制和微观结构演变的影响。结果表明，高频脉冲电流处理通过热机制和非热机制的协同作用显著促进了再结晶行为并提高了力学性能。在最佳参数10000 Hz下，平均晶粒尺寸从挤压态的1.57 μm减小到1.49 μm。与挤压态样品相比，高频脉冲电流处理有效提升了整体力学性能。在10000 Hz时，复合材料表现出平均维氏硬度为288 HV、极限抗拉强度为378.62 MPa以及延伸率为27.28%。
引言
由于铝（Al）及其合金具有优异的延展性、高比强度和良好的成形性[1]、[2]、[3]，它们被广泛应用于航空航天、海洋和电力电子行业。然而，随着工业的发展，单一金属的性能已无法满足高性能材料的需求[4]。将硬质增强相引入铝基体是获得所需性能材料的有效方法[5]。SiC颗粒的密度与铝合金相当，同时具备出色的耐磨性、低热膨胀系数和高导热性，能够同时提高铝合金的刚度和强度[6]、[7]、[8]。因此，SiC/Al复合材料因其优异的综合力学性能而受到广泛关注。其中，SiC/2009Al复合材料是一种专为航空航天应用开发的高强度可变形铝合金，特别适合制造飞机结构部件、锻造零件和承受高载荷的部件[9]、[10]、[11]。
SiC颗粒与铝基体在物理和化学性质上存在显著差异，在制备SiC/2009Al复合材料过程中容易发生颗粒团聚、界面结合弱化以及内部应力过高等问题[12]、[13]、[14]。总体而言，传统的加工技术（如塑性加工和热处理）可以通过改变晶粒形态和颗粒分布来进一步改善复合材料的微观结构和力学性能。Liu等人[15]对轧制后的微/纳米双模态B4C颗粒增强铝基复合材料进行了T6处理（as-heated1）和电脉冲处理（as-heated2）。结果表明，T6处理和电脉冲处理后，变形晶粒完全被再结晶晶粒所取代。T6处理有助于释放残余应力，但不可避免地会导致晶粒生长，从而降低微观硬度。与T6处理相比，电脉冲处理显著提高了复合材料的塑性。Yang等人[16]利用真空热压烧结和热挤压方法制备了氧化石墨烯/2024Al复合材料，并通过溶液处理和时效处理改善了复合材料的界面结合性能。热处理后的复合材料抗拉强度提高了455 MPa，提高了19%。Hu等人[17]通过传统的粉末冶金、塑性变形和热处理成功制备了SiC晶须（SiCw）增强的2000系列铝基复合材料（AMCs）。研究表明，在初次挤压的基础上，二次挤压使硬度、抗拉强度和延伸率分别提高了14.16%、6.15%和6.67%；而锻造处理则略微降低了硬度、抗拉强度和延伸率，分别降低了3.15%、2.85%和6.67%。
上述研究表明，塑性变形处理和热处理技术的结合可以增强界面结合强度、细化晶粒结构并增加位错密度。然而，这些方法不可避免地会导致材料加热不均匀，从而引起材料内部结构的不均匀变化，进而导致再结晶晶粒的细化不完全。同时，材料内部容易形成温度梯度，产生热应力[18]、[19]、[20]。在塑性变形过程中，增强相的前端容易形成“应力集中区”，其中位错大量积累且无法通过整体变形均匀释放。此外，在热处理的加热/冷却过程中，基体和增强相的膨胀/收缩程度差异显著。这两种方法不仅无法完全消除原始应力，还可能引入新的应力。
高频脉冲电流处理（HFPC处理）利用脉冲电流的瞬时高能量输入来调节材料微观结构和优化性能，因其高效、节能和环保等优点而受到关注和发展。Ma等人[21]研究发现，经过HFPC处理后，Mg-6Al-1Zn合金的微观结构发生了再结晶，形成了细小的再结晶晶粒，第二相的分布和体积分数变化较小。Hui等人[22]发现，电脉冲的快速加热有效促进了Al-Li合金的再结晶并降低了纹理强度。然而，过高的电流密度会在晶界处形成S′相（Al2CuMg），显著降低了合金的力学性能。Li等人[23]表明，随着储存变形能量的增加，电脉冲的再结晶促进效果得到增强，平均晶粒尺寸从46.8 μm减小到22.6 μm，从而提高了2A97合金的力学性能。
HFPC处理通过脉冲电流提供额外的驱动力，从而提高再结晶晶核化速率，实现晶粒细化。此外，HFPC处理产生的热效应和非热效应还有助于位错运动、原子和空位的扩散，并在相对较低的温度下改变合金的微观结构[24]、[25]、[26]。总之，HFPC处理通常能够实现彻底的晶粒细化[27]，改变位错的分布和密度[28]，消除内部应力，并对第二相颗粒起到调节作用[29]，有望改善传统加工方法引起的缺陷。然而，以往关于HFPC处理的研究主要集中在单一金属上，其对陶瓷颗粒/基体界面、复合材料微观结构演变和第二相沉淀行为的作用机制尚未阐明。理论上，提高电流频率可以充分激发陶瓷基体复合材料内部异质界面处的电弧放电，优化陶瓷与铝基体之间的润湿性，并增强界面结合强度。适当的电流频率还可以实现微观结构均匀化、晶粒细化和强度-塑性协同效应[30]、[31]、[32]。因此，本文提出通过改变电流频率来优化SiC/2009Al复合材料的微观结构和力学性能。
本研究使用烧结态的SiC/2009Al复合材料作为原料，首先对其进行挤压处理，然后对挤压后的SiC/2009Al复合材料施加不同的HFPC处理，研究了高频脉冲电流频率对SiC/2009Al复合材料再结晶和第二相沉淀的影响，并通过拉伸试验评估了不同HFPC处理条件下的力学性能。
样品制备和高频脉冲电流处理
本文使用的基体合金为2009商用铝合金，其化学成分见表1。2009商用铝合金粉末由直径在5至20 μm之间的圆形颗粒组成（见图1(a)）。增强相为SiC颗粒，体积分数为30%，平均粒径为8 μm，其化学成分见表2，粉末形态见图1(b)。SiC颗粒与2009Al合金粉末混合使用。
材料致密化分析
在粉末冶金制备SiC/2009Al复合材料的过程中，粉末不会完全熔化，这使得复合材料难以实现完全致密化。因此，增强相与基体之间的材料结构中不可避免地会存在一定的空隙和缺陷。对于粉末冶金材料而言，致密化至关重要，是评估材料制备过程质量的关键指标。
高频脉冲电流对SiC/2009Al复合材料的微观强化效应
图16展示了在高频脉冲电流作用下的微观结构演变过程。高频脉冲电流通过能量输入和微粒调控的双重效应影响了SiC/2009Al复合材料的恢复、再结晶和晶粒生长过程。
结论
本文提出了一种有效的后处理方法，使得30%体积分数的SiC/2009Al复合材料具备了优异的综合力学性能。通过对30%体积分数的SiC/2009Al复合材料施加高频脉冲电流处理，研究了其再结晶机制和微观结构演变。
- (1)
通过粉末冶金、挤压处理和后续的高频脉冲电流处理，制备出了具有致密结构且SiC颗粒分布均匀的SiC/2009Al复合材料
未引用参考文献
[51]
CRediT作者贡献声明
Wenxian Wang：撰写 – 审稿与编辑、方法学研究、资金获取、数据管理。Xiaozhe Sun：数据分析、数据管理。Ruifeng Liu：撰写 – 审稿与编辑、监督、资金获取、数据管理。Bingxin Guo：撰写 – 审稿与编辑。Tao Qin：验证、数据分析、数据管理。Xinru Li：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、验证、方法学研究、数据管理、概念构建。
利益冲突声明
作者声明以下可能构成潜在利益冲突的财务利益和个人关系：Ruifeng Liu获得了中国国家自然科学基金（项目编号52205405）的资助；Xinru Li获得了山西省应用基础研究项目（项目编号20210302124653）和山西省专利转化专项项目的资助。
致谢
本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号52205405）、山西省应用基础研究项目（项目编号20210302124653）、山西省专利转化专项项目（项目编号20250008）以及中国山西省奖学金委员会研究项目（项目编号2024-059）的支持，特此表示感谢。
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能构成利益冲突。
