添加Li和石墨的Al-Cu-Mg合金的微观结构演变及力学性能：该合金通过高能球磨制备，随后采用高感应烧结进行致密化处理

《Materials Today Communications》：Microstructural Evolution and Mechanical Behavior of Al-Cu-Mg Alloy with Li and Graphite Additions Processed via High-Energy Ball Milling and Consolidated by High Induction Sintering

Al-Cu-Mg合金中添加锂和石墨，通过高能球磨和两种烧结方法研究微观结构演变与力学性能优化。发现高频感应烧结能更好控制晶粒尺寸、减少孔隙氧化，提升材料强度，其中4小时球磨+高频烧结组合表现最佳。

　　本研究探讨了通过高能球磨处理并采用两种不同方法进行烧结（传统烧结与高频感应烧结）所制备的Al–Cu–Mg合金中加入锂和石墨后的微观结构演变及机械性能。实验中，样品分别被球磨4小时和8小时，并分别加入0%、1%、2%的锂元素，以及固定2%的石墨元素。研究分析了成分、球磨时间与烧结技术对相形成、热稳定性、微观结构和机械性能的影响。

通过扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）、差示扫描量热法（DSC）、显微硬度测试、密度测量和压缩测试等多种手段对样品进行了表征。研究发现，高能球磨能够有效细化微观结构，并促进固溶体的形成。而高频感应烧结则有助于提高致密化，减少孔隙率和氧化现象，同时更好地保留球磨过程中获得的晶粒细化效果。热分析结果显示，AlLi和Al?Cu相的形成及转变行为，以及石墨对热稳定性的具体影响。研究还发现，锂的加入显著增加了氧化和孔隙率，对高浓度锂的机械性能产生负面影响；而石墨则表现出正向作用，作为工艺控制剂和增强剂，有助于改善材料性能。

在本研究中，通过调整不同的工艺路线和参数，如球磨时间、锂和石墨的添加比例，以及烧结方式，可以系统地评估其对晶粒尺寸、相形成和显微硬度的影响。研究特别强调了高频感应烧结作为一种快速烧结技术，不仅能够提高机械性能，还能有效降低氧化程度。这些发现为设计和加工轻质、高性能的铝基复合材料提供了有价值的参考，特别是在航空航天和结构应用领域。

铝锂（Al-Li）基合金因其高比强度、低密度和良好的刚度-重量比而受到航空航天和交通运输行业的广泛关注。然而，其应用仍受限于低断裂韧性、较差的延展性和成形性等缺陷。这些不足可以通过在金属基体中引入微量合金元素和第二相粒子来改善，从而增强其机械和热性能。例如，铜（Cu）和镁（Mg）的加入通常用于提升固溶强化和析出强化效果。碳（C）作为增强剂，其作用复杂，不仅影响晶粒细化和位错运动，还可能在特定加工条件下形成铝碳化物（Al?C?），进一步通过第二相分散机制增强材料硬度。

粉末冶金（PM）作为一种加工方法，相比传统的液态冶金，能够提供更好的微观结构控制，如晶粒尺寸和相分布。这是因为PM过程中加工温度较低，且扩散路径较短。此外，如果将机械合金化（MA）作为PM的一部分，可以进一步提升材料的机械性能。MA是一种固态加工过程，通过高能球磨（HEBM）实现粉末颗粒的反复破碎、冷焊和再焊，从而形成过饱和固溶体和超细结构，这些结构在传统加工中难以获得。

相比之下，传统铸造方法虽然成本较低，适合大规模生产，但其在熔融金属中分散细小增强颗粒时面临诸多挑战，如颗粒聚集、润湿性差和浮力效应，导致不均匀分布。而固态加工方法如MA能够克服这些限制，实现颗粒在金属基体中的均匀分散。

碳的同素异形体，如富勒烯、石墨烯、碳纳米管和石墨，因其优异的机械、热和摩擦性能，被广泛研究用于铝基复合材料的增强。然而，碳在这些系统中的行为具有多面性。根据不同的加工方法，碳可能存在于固溶体中、作为自由元素或与铝反应形成Al?C?。这些不同的存在形式对复合材料的微观结构和性能产生重要影响，包括界面结合、载荷传递、晶粒生长和长期热稳定性。

一些研究人员通过不同的技术，如多道摩擦搅拌加工、摇摆球磨、熔模铸造和MA结合热挤压等方法，成功地提高了石墨增强金属基复合材料的机械性能。然而，将MA与创新烧结方法如高频感应烧结（HFIS）相结合的研究仍较为有限。

本研究通过比较不同加工路线对Al-Li-Cu-Mg复合材料微观结构演变的影响，特别是传统烧结和高频感应烧结，系统评估了加工、锂和石墨添加对晶粒尺寸、相形成和显微硬度的综合影响。高频感应烧结被特别强调为一种有望提高机械性能并减少氧化的快速烧结技术。这些发现为优化轻质、高强度的铝基复合材料提供了新的思路，适用于航空航天和结构应用领域。

实验过程中，使用了高能球磨机（SPEX 8000 M）对纯铝粉、铜球粉、镁粉、铝锂主合金屑和天然石墨片进行处理，球磨时间分别为4小时和8小时，使用了五滴甲醇作为工艺控制剂。球磨介质由55 mL容量的硬质D2钢容器和不同直径的钢球组成，以优化球磨效率并减少介质堆积。球磨粉与球的重量比为5，这一适中比例有助于在球磨过程中更好地控制颗粒细化和均匀性。

在烧结阶段，采用了两种不同的方法：传统方法（CM）和高频感应烧结（HFIS）。在CM中，粉末被冷压至900 MPa（单向压力）1分钟，形成直径为6毫米、高度为12毫米的圆柱形“绿色”样品。随后，将样品置于Neytech炉中，在550°C下烧结3小时，并逐步冷却至室温。这些特定的烧结条件是通过先前实验优化得到的，以实现最大致密化水平（99%）。

而在HFIS中，粉末被引入H13工具钢模具中，随后在3分钟内同时进行压缩和加热。应用压力为450 MPa，温度为450°C，通过70 kHz频率和1.5 kW功率的感应加热设备实现快速升温（180°C/min）。通过使用Type K热电偶在模具附近的热井中监测温度，确保烧结过程的精确控制。一旦烧结完成，关闭电流并使用受控的过滤强制冷空气进行冷却，以防止可能的氧化。

为了评估加工路线、锂含量和石墨添加对样品性能的影响，研究采用了标准的压缩测试方法（ASTM E9）。所有样品的尺寸均为直径6.45毫米、长度13毫米。压缩测试在三组重复条件下进行，以获得每种成分的平均屈服强度及其变化。SEM图像和元素映射分析用于研究初始材料、合金、复合粉末和烧结样品的形态、微观结构和成分。同时，通过低倍率测量获取粉末的粒径分布。显微硬度测试使用Leco LM300AT硬度测试仪，在样品的抛光区域进行，使用200克负荷和10秒停留时间。每个样品的硬度值为10次压痕的平均值。

差示扫描量热法（DSC）测量在粉末和经溶液热处理（SHT）的样品上进行，以研究其热稳定性。SHT条件为在540°C下溶化1小时并淬火至水冷。DSC分析在30-500°C范围内进行，加热速率为20°C/min。研究发现，经球磨的样品显示出更广泛的放热区域，表明其储存能量的释放（曲线下的面积）大于未球磨样品。

XRD分析用于识别粉末和烧结样品中的相组成。通过CuKaα辐射，在20°至130°范围内进行衍射测量，以确定晶粒尺寸和微应变。研究发现，随着球磨时间的增加，晶粒尺寸略有减小，而微应变保持相对稳定。未球磨的纯铝晶粒尺寸为147.05纳米，微应变为0.0125%。球磨后的样品显示出显著的晶粒细化，微应变增加，这表明高能球磨诱导了晶格缺陷的形成，如空位、位错和新晶界，这些缺陷储存了能量。在4小时和8小时球磨的样品中，晶粒尺寸减少，微应变保持几乎不变，表明进一步的细化需要更高的能量投入。

在XRD图谱中，未检测到新的相，表明合金元素主要以固溶体形式存在于铝基体中。然而，在4小时球磨的样品中，元素铜的特征反射仍可见，表明部分铜未完全溶解。经过8小时球磨后，铜的反射不再出现，表明延长球磨时间有助于铜完全溶解。这可能与生成的晶格缺陷促进固溶度有关。

在研究中，发现锂的添加显著增加了氧化和孔隙率，对机械性能产生负面影响。而石墨则表现出积极的作用，作为工艺控制剂和增强剂，有助于改善材料性能。然而，石墨的添加并未显著影响晶粒细化或微应变的发展，表明其在相同的球磨条件下对晶粒尺寸的调控作用有限。

在机械性能方面，研究发现，HFIS样品的屈服强度和显微硬度均优于CM样品，这可能归因于较低的孔隙率、更好的析出物分布和较低的氧化水平。球磨时间对机械性能的影响较小，表明4小时的球磨已经足够实现合金的形成。此外，研究还发现，锂的添加在高浓度时会降低材料的机械性能，而石墨的加入则有助于提高机械性能。

在烧结过程中，HFIS样品显示出更高的密度，这归因于该工艺在烧结过程中同时施加压力和热量，从而促进更有效的致密化。而CM样品由于粉末颗粒在冷压过程中难以紧密排列，导致绿色坯体的孔隙率较高，这在后续的烧结过程中难以消除。高频感应烧结的快速加热和压力施加有效降低了氧化水平，并促进了材料的致密化。

在XRD图谱中，研究发现，未球磨的样品显示出铜和镁的特征峰，表明这些元素未完全溶解。而在球磨样品中，铜的峰消失，表明其已被完全溶解形成Al?Cu相。此外，研究还发现，石墨的加入并未显著影响晶粒尺寸和微应变，表明其在相同的球磨条件下对晶粒细化的调控作用有限。

通过对比不同加工条件下的样品，研究发现，HFIS样品在晶粒尺寸、孔隙率和氧化水平方面表现出更好的性能。这表明，高频感应烧结能够有效保留球磨过程中获得的微观结构细化效果，同时减少氧化。研究还发现，随着锂含量的增加，样品的密度略有下降，这可能是由于锂的高反应性导致的氧化现象。而石墨的加入则有助于提高样品的密度和机械性能，表明其在复合材料中的积极作用。

在热分析中，研究发现，随着锂含量的增加，氧化反应的起始温度降低，且氧化峰的强度增加。这表明锂显著降低了材料的氧化抗性。同时，石墨的加入并未显著影响氧化行为，表明其在研究条件下对氧化的抑制作用有限。这些结果进一步说明了锂和石墨在铝基复合材料中的不同作用。

通过SEM和XRD分析，研究发现，不同加工条件下的样品显示出不同的微观结构。在HFIS样品中，晶粒尺寸较小，分布均匀，表明该烧结方法能够有效促进晶粒细化。而在CM样品中，晶粒尺寸较大，分布不均，这可能是由于长时间的高温暴露导致的晶粒生长。这些结果表明，加工条件对材料的微观结构和性能有重要影响。

综上所述，本研究通过系统分析加工参数、锂和石墨添加对Al–Cu–Mg合金和复合材料的影响，揭示了不同加工方法对材料性能的调控作用。高频感应烧结作为一种新型快速烧结技术，显示出其在减少氧化和提高材料性能方面的潜力。这些发现为开发高性能、轻质的铝基复合材料提供了重要的理论和实践依据，特别是在航空航天和结构应用领域。