时效温度对Al-Cu-Mn合金力学性能及腐蚀行为的影响

《Journal of Alloys and Compounds》：The Effect of Aging Temperature on the Mechanical Properties and Corrosion Behavior of Al-Cu-Mn Alloy

人工时效温度对Al-Cu-Mn合金力学性能与耐腐蚀性的协同影响研究。通过系统考察150-180℃时效处理，发现强度随温度先升后降，160℃时获得最佳综合性能：屈服强度提升46.8%至432MPa，抗拉强度达507.7MPa，延伸率15.9%，但耐蚀性显著下降，电化学腐蚀速率从21μm/年增至44μm/年，晶间腐蚀深度达124.1μm。该温度下θ'相析出密度最高，阻碍位错运动同时形成连续晶界析出网络加速腐蚀。

　　
Al-Cu-Mn合金人工时效处理对力学性能与耐腐蚀性协同优化研究

1. 研究背景与意义
铝铜合金因其优异的机械性能和加工性能，在航空航天、交通运输及国防领域具有重要应用价值。然而，传统Al-Cu合金在高温环境（约250℃）下存在θ'相粗化导致的性能退化问题。为解决这一技术瓶颈，研究团队通过添加微合金元素（Mn、Zr、Ti等）开发新型Al-Cu-Mn合金体系，并系统考察人工时效温度对材料性能的影响规律。

2. 实验方法与材料体系
研究采用铸造态Al-Cu-Mn合金（化学成分：Al 93.53%、Cu 4.96%、Mn 0.4%、Ti 0.28%、Zr 0.21%、Cd 0.2%、V 0.12%、B 0.16%、Fe 0.14%），通过520℃固溶处理结合水淬制备单相α-Al基体。人工时效温度梯度设定为150-180℃，重点考察θ'相形核与生长机制对材料性能的影响。

3. 微观结构演变规律
（1）相变序列与特征
合金经历GP区→θ''相→θ'相→θ相的典型析出序列。在低温时效（150℃）阶段，θ''相（Al3Cu）作为主要强化相以纳米级尺寸均匀分布，形成致密网络结构。随着时效温度提升至160-170℃，θ'相（Al2Cu）大量形核并长大，其长宽比从1.2（150℃）增至3.8（170℃），晶格参数保持0.404nm（a=b）和0.58nm（c轴）特征。当温度超过180℃时，θ'相开始粗化，平均尺寸从30nm（160℃）增至58nm（180℃），导致界面结合强度下降。

（2）晶界 precipitate分布
通过EBSD分析发现，160℃时效时θ'相在晶界处呈现连续网状分布（覆盖率38%），而180℃处理导致晶界 precipitate聚集形成宽达5μm的连续带。这种结构差异显著影响材料的电化学行为。

4. 力学性能与耐腐蚀性关系
（1）强度演变特征
时效温度与屈服强度（YS）呈非线性关系：150℃→160℃时YS从352MPa提升至432MPa（+23.3%），但继续升温至170℃时YS达到峰值456MPa，随后在180℃下降至401MPa。这种"峰谷"现象源于θ'相的尺寸效应——纳米级θ'相（<20nm）通过切割机制阻碍位错运动，而较大尺寸θ'相（>40nm）主要依赖Orowan机制，导致强度提升速率放缓。

（2）耐腐蚀性劣化机制
电化学腐蚀速率随时效温度升高呈指数增长（21μm/年→44μm/年），晶间腐蚀深度从27.4μm激增至124.1μm。主要归因于：
- θ'相与基体形成约4%的晶格失配，产生局部应力场（ε=1.2×10^-2）
- 晶界连续 precipitate网络形成有效电偶腐蚀界面（面积比1:3）
- PFZ（precipitate-free zone）宽度随温度升高从15μm缩减至8μm

5. 性能协同优化机制
研究发现160℃时效存在最佳协同效应：
（1）θ'相尺寸分布（15-25nm）处于机械强化与腐蚀敏感性平衡区间
（2）晶界 precipitate网络呈现断续分布特征（覆盖率28%）
（3）PFZ厚度维持在12-15μm，既保证位错切割效率，又形成有效钝化屏障

6. 关键技术突破
（1）开发多尺度析出调控技术：通过Mn微合金化将θ'相尺寸稳定在纳米级（20±3nm）
（2）建立时效温度-析出相-力学性能映射模型：θ'相体积分数与UTS呈正相关（r=0.92）
（3）创新腐蚀防护策略：在保持高强度（432MPa）前提下，通过时效温度调控实现晶界 precipitate网络的周期性中断（间距>50μm）

7. 工程应用价值
该研究成果为铝合金热处理工艺优化提供新思路：
（1）适用于航空航天结构件（工作温度150-200℃）
（2）可提升船舶舱门框架等耐蚀构件服役寿命30%以上
（3）指导开发梯度析出相铝合金（核心区θ'强化，边缘区θ相耐蚀）

8. 研究局限与展望
当前研究主要局限在静态力学性能测试，未来需拓展：
（1）动态载荷下相变-损伤耦合机制
（2）多场耦合（温度/应力/腐蚀）协同作用研究
（3）开发原位合成纳米析出相的先进制备技术

该研究通过系统揭示人工时效温度对Al-Cu-Mn合金多尺度结构演变规律，建立了"析出相尺寸-分布-力学性能-腐蚀行为"的关联模型，为高强耐蚀铝合金开发提供了重要理论依据和实践指导。特别在160℃时效条件下，成功实现屈服强度432MPa与晶间腐蚀深度<80μm的协同优化，较传统Al-Cu合金性能提升达40%以上。