在T?和η?双相强化的Al-Zn-Mg-Cu合金中，沉淀物显著提高了与比例相关的蠕变抗力

《Materials Science and Engineering: A》：Precipitates proportion-dependent creep resistance in T? and η? dual-phase strengthened Al-Zn-Mg-Cu alloys

本研究通过Cu-Ni改性AlSi10Mg合金，采用直接能量沉积（DED）制备材料，并经过固溶和时效处理，成功引入热稳定的微米级CuNi富相和纳米级θ'沉淀物。两阶段强化机制使合金室温屈服强度达307 MPa，较未改性合金提升168.7%；300℃屈服强度达198 MPa，提升217.6%。微观结构显示CuNi相主要分布在晶界，θ'沉淀物均匀分布于基体，抑制晶界迁移和位错运动，断裂机制为脆-韧混合模式。分隔符

　　在工业制造领域，材料的性能直接影响着其应用范围和使用寿命。其中，材料的屈服强度是衡量其承载能力的重要指标，代表了材料在实际应用中能够承受的最大应力值，超过这一极限将导致不可逆的塑性变形。因此，提高材料的屈服强度对于满足更苛刻的工作环境需求具有重要意义。目前，铝合金因其良好的强度与重量比、优异的耐腐蚀性能以及加工适应性，在航空航天、汽车制造等领域得到了广泛应用。然而，现有的铝合金在高温环境下（如300 °C）仍表现出较低的屈服强度，限制了其在高温应用场景中的使用潜力。为了解决这一问题，本研究通过直接能量沉积（DED）工艺制备了AlSi10Mg合金及其铜镍改性版本，并系统分析了其微观结构、力学性能和断裂机制，探索了如何提升铝合金在高温条件下的性能表现。

DED是一种先进的增材制造技术，具有材料利用率高、生产效率高以及能够制造大型复杂结构部件等优点，因此在工业应用中具有较高的可行性。AlSi10Mg作为一类常用的铝合金，因其高硅含量而具有良好的流动性和铸造性能，非常适合用于增材制造过程。然而，其在高温下的屈服强度仍未能达到理想水平。已有研究表明，增材制造的AlSi10Mg合金在300 °C时的屈服强度通常只有约150 MPa，这远低于其在室温下的强度。为了克服这一局限，研究者尝试通过合金元素的添加来改善其高温性能，尤其是在铜和镍的引入方面，已有较多探索。例如，铜元素的添加可以显著提高铝合金的强度，主要得益于其在基体中形成的沉淀强化和固溶强化作用。镍元素则被认为能够有效提升铝合金的高温性能，特别是在高温变形过程中，其形成的富铜镍相能够对基体起到稳定的阻碍作用。

本研究通过引入铜和镍元素，成功构建了一种新型的Cu-Ni改性AlSi10Mg合金（Al-9.8Si-0.32Mg-5Cu-1Ni，wt%），并系统分析了其在室温与高温下的力学性能变化。研究发现，经过适当的热处理（包括固溶处理和时效处理），该合金内部形成了大量均匀分布的θ'纳米析出相，同时在合金中引入了具有高热稳定性的富铜镍微米级相。这两种强化相的协同作用显著提升了合金的屈服强度，使其在室温下达到307 MPa，而在300 °C时仍能保持198 MPa的屈服强度，分别比原始AlSi10Mg合金提升了168.7%和217.6%。这表明，通过合理的元素添加和热处理工艺，可以有效改善铝合金在高温条件下的力学性能，从而拓展其应用范围。

研究中使用的DED工艺涉及将铝合金粉末送入熔池，并通过激光能量进行熔化和沉积。整个过程在惰性气体氩气的保护下进行，以防止粉末氧化。实验采用的粉末材料包括AlSi10Mg、纯铜和纯镍，通过高能球磨技术制备成预合金粉末。这些粉末的形态和粒径分布被记录并用于后续分析。在热处理过程中，合金经历了固溶处理和时效处理两个阶段，分别在510 °C和200 °C下进行，以促进析出相的形成和稳定。

在微观结构分析方面，研究利用扫描电子显微镜（SEM）和电子背散射衍射（EBSD）技术，对合金的晶粒结构和相分布进行了详细观察。结果表明，未经热处理的原始合金（UA）主要由粗大的等轴晶和柱状晶组成，而经过热处理后，其晶粒结构发生了显著变化。相比之下，Cu-Ni改性合金（MA）在热处理后表现出更精细的晶粒结构，同时富铜镍相在晶界处形成稳定的硬框架，有效抑制了晶粒的过度生长。此外，θ'纳米析出相在基体中均匀分布，进一步增强了合金的强度。这些微观结构的变化与合金的力学性能提升密切相关，为理解其强化机制提供了重要依据。

在力学性能测试方面，研究采用电子万能试验机对合金进行了室温与高温下的拉伸试验。测试结果表明，未经热处理的MA合金在室温下的屈服强度为140 MPa，而经过热处理后，其屈服强度显著提升至307 MPa，同时极限抗拉强度也达到354 MPa。相比之下，未经热处理的UA合金在室温下的屈服强度仅为73 MPa，极限抗拉强度为197 MPa。高温下的测试进一步验证了改性合金的优越性，其在300 °C时的屈服强度仍能达到198 MPa，远高于其他传统铝合金的性能。此外，改性合金在高温下的延展性虽有所下降，但其强度保持能力明显优于原始合金，这表明其在高温条件下的综合性能得到了显著提升。

从断裂机制的角度来看，改性合金在室温下的断裂模式呈现为混合的脆性-韧性断裂，而在高温下的断裂模式则以界面脱粘为主。这一变化主要归因于合金在高温下发生热软化，导致基体的承载能力下降，进而影响其塑性变形能力。然而，富铜镍相和θ'析出相的存在在一定程度上缓解了这一问题，它们能够有效地阻碍位错运动，提高合金的抗变形能力。在室温下，这些析出相的分布和形态对合金的断裂行为产生重要影响，而在高温下，它们的稳定性成为决定合金性能的关键因素。

通过结合电子能谱（EDS）和高分辨透射电镜（HRTEM）技术，研究进一步明确了合金中析出相的种类和演化过程。结果表明，原始合金（UA）主要形成MgSi相，而Cu-Ni改性合金（MA）则形成了AlCu、AlCuMgSi以及θ'、β'、Q'等析出相。其中，θ'析出相由于其较小的尺寸和较高的密度，在热处理过程中对基体的强化作用尤为显著。此外，研究还发现，Q'析出相在高温下的稳定性优于β'析出相，这可能是其在高温下仍能保持一定强化效果的原因之一。

本研究的结果为开发具有优异高温性能的铝合金提供了重要的理论依据和实践指导。通过引入铜和镍元素，构建了具有热稳定性的富铜镍相和θ'析出相的两阶段强化结构，显著提升了合金的屈服强度和高温承载能力。同时，研究还揭示了这些强化相在合金中的作用机制，为未来的材料设计和优化提供了新的思路。此外，该研究还强调了热处理工艺在调控析出相形成和分布中的重要性，表明通过合理的热处理参数设置，可以进一步提升合金的综合性能。

在工业应用方面，这种新型的Cu-Ni改性AlSi10Mg合金展现出良好的潜力。其在高温下的稳定性能使其适用于更广泛的高温环境，如高温工作条件下的航空航天结构件、高温部件等。同时，其优异的强度与延展性平衡，也为其在轻量化和高强度需求的领域提供了新的选择。因此，该研究不仅在材料科学领域具有重要意义，也为实际工程应用提供了有力的技术支持。

总之，本研究通过系统分析Cu-Ni改性AlSi10Mg合金的微观结构、力学性能和断裂机制，揭示了其在高温条件下的性能提升路径。研究结果表明，富铜镍相和θ'析出相的协同作用是实现合金高温性能优化的关键因素。此外，热处理工艺对析出相的形成和分布起到了重要作用，为未来的材料制备和性能优化提供了理论依据和实验支持。这些发现不仅有助于深化对铝合金强化机制的理解，也为开发适用于高温环境的新型铝合金材料提供了重要的参考价值。