铝合金高温10,000h时效：200℃成性能衰退“分水岭”！挑战传统认知：2618A铝合金初始硬化不止靠S相，L相贡献不可忽视

　　文章导读

本文系统研究了2618A铝合金在长期热暴露条件下的微观结构演变与力学性能退化行为。该合金因具有良好的高温抗蠕变性能，被广泛用于航空发动机活塞等关键部件，其服役寿命可达10万小时。

研究者采用了一种高通量的实验策略，利用温度梯度样品台，在165°C至245°C的宽温域内，对样品进行了从210小时至10,000小时不等的等温时效处理。通过结合硬度映射、小角X射线散射、扫描预cession电子衍射及原子探针断层扫描技术，作者绘制了机械性能与析出相特征的演变图谱。

研究揭示，在初始T851状态下，含Si的L相（Al₈Mg₈Si₄Cu₄）对合金的初始强度有重要贡献。在长期时效初期，强度的下降主要由L相的部分溶解和S相（Al₂CuMg）的粗化控制。然而，当时效温度超过200°C、时间达到5,000小时后，一种新的Q相开始形成，该过程导致了S相的不稳定和部分溶解，从而引发了力学性能的加速衰退。基于铜扩散激活能建立的时间-温度等效模型，成功预测了不同时效条件下的性能演变，并识别出这一关键的机制转变点。这项工作为预测和优化该类铝合金在严苛热环境下的服役寿命提供了坚实的理论依据。

　　重点部分·图文解读

图3：展示了经不同时间（210至10,000小时）温度梯度时效后，样品沿长度方向的硬度及等效屈服强度分布。结果显示，在较低温度区域，硬度随温度升高线性下降；而在5,000小时和10,000小时的样品中，当温度超过200°C时，观察到力学性能的加速下降，表明有新的微观机制被激活。图3b通过时间-温度等效换算，以138 kJ/mol的激活能成功将不同时效条件的数据点汇聚成主曲线，但在等效时间超过5,000小时后，数据出现分岔，清晰地标识出从单一扩散控制机制向包含相变的多机制转变。图4：通过透射电镜对合金初始T851状态的观察，揭示了两种不同尺寸的析出相。

图4a显示了大尺寸（约10 nm）在位错上形核的析出相和高密度的细小（2-5 nm）析出相。图4c的相图结合图4d的衍射花样，明确鉴别出粗大的S相（红色圆圈）和细小的L相（蓝色圆圈），证明了L相在初始强度中的关键作用。

图5：原子探针断层扫描结果定量确认了初始T851状态下两种析出相的成分。图5a的三维重构图中清晰地显示了两种不同尺寸的析出相。图5b的浓度曲线表明，较大的析出相（P1）成分为富Cu的Al₂CuMg（S相），而较小的析出相（P2）则为富Mg和Si的L相，其Cu含量约5 at%，与文献中L相的成分范围吻合。

图6：展示了在170°C时效5,000小时后样品的透射电镜分析结果。STEM-HAADF图像结合能谱和衍射分析表明，此时微观组织中仍然存在S相（红色圆圈）和L相（蓝色圆圈）。值得注意的是，该条件下L相呈现为截面沿<100>Al方向排列的板条状，与初始状态的细棒状形态不同，表明其在长期时效过程中发生了形态演变。

图12：将基于小角X射线散射测量的S相尺寸和体积分数，代入沉淀硬化模型计算出的屈服强度（粉色线），与从硬度直接换算的实验屈服强度（蓝色方块）进行对比。结果显示，在1,000至5,000小时的时效条件下，模型预测与实验数据高度吻合。然而，对于初始T851状态，模型预测值（350 MPa）显著低于实验值（420 MPa），这证实了L相对初始强度的额外贡献不可忽略，占到了总强度的五分之二左右。

　　文章总结

　　本文通过高通量实验方法，全面揭示了2618A铝合金在长期时效过程中的性能退化机制。研究发现，合金在初始T851状态下的高强度并非仅由S相贡献，大量弥散分布的L相（Al₈Mg₈Si₄Cu₄）同样扮演了至关重要的角色。在低于200°C的长期时效过程中，性能退化主要受控于铜元素的扩散，表现为S相的粗化与L相的溶解。而当温度超过200°C、时效时间超过5,000小时后，一个更为稳定的Q相开始形成。Q相的析出消耗了周围的铜元素，导致原有的S相发生部分溶解，从而引发力学性能的加速下降。

基于上述机制，利用铜扩散激活能建立的时间-温度等效关系，能够有效描述并区分这两个不同的老化阶段，为预测合金在极端热环境下的服役行为提供了可靠的指导。

文章标题：High-throughput investigation of the long-term ageing of a 2618A aluminium alloy

标题翻译：2618A铝合金长期时效行为的高通量研究

期刊名称：《Acta Materialia》

DOI：10.1016/j.actamat.2025.121264

通讯作者单位：法国格勒诺布尔阿尔卑斯大学