西安理工《MSEA》：电脉冲处理对Cu-20Ni-20Mn合金组织性能影响

Cu-20Ni-20Mn合金由于其良好的物理、机械性能和耐腐蚀，广泛应用于航空航天和采矿领域。然而，铸态Cu-20Ni-20Mn合金的微观结构为粗大树枝晶，这极大地影响了合金的综合性能。此外，Cu-20Ni-20Mn合金晶界反应的活化能为晶内反应的60%，时效过程中θ-MnNi相的不连续析出较为显著。因此，虽然合金在时效后强度显著提高，但其延展性较差，实际应用时容易发生脆性断裂。现有研究证实，高温时效（>673 K）可以抑制θ-MnNi相的不连续析出，还有研究表明变形可以抑制不连续析出，促进合金中θ-MnNi相的均匀分布。研究人员近年来对Cu-20Ni-20Mn合金经过高温时效处理后的变形力学性能进行了研究，发现采用变形和高温时效处理相结合，很难同时提高合金的抗拉强度和伸长率。电脉冲处理（EPT）是一种能够同时提高强度和延展性的有效方法，但是EPT用于Cu-20Ni-20Mn合金的研究较少。

西安理工大学的一项最新研究利用EPT对形变时效Cu-20Ni-20Mn合金的微观组织进行了优化，得到了具有高强度和良好延展性的合金，探讨了焦耳热效应（热效应）和电迁移效应（非热效应）对合金微观结构演化的机理以及强度-延性同时增强的机理。相关论文以题为“Effect of electropulsing treatment on microstructure and mechanical properties of Cu-20Ni-20Mn alloy”发表在Materials Science & Engineering A。

本研究通过感应熔炼制备Cu-20Ni-20Mn合金锭，均质处理为520℃×50min（水淬），而后将铸锭在900℃下加热2h，进行挤压（挤压比9:1），挤压后进行变形率80%的冷轧，得到厚度3mm板材，在430℃时效72h空冷，得到形变时效合金。电脉冲处理频率250-350Hz，电流密度范围9.8-12.4A/mm2，处理时间为150s，温度范围479-695℃。

研究发现，形变时效Cu-20Ni-20Mn合金微观组织主要由严重拉长的变形晶粒组成，经过9.8A/mm2和10.0A/mm2电流密度的EPT后，微观结构未发现明显的新晶粒。随着电流密度的增加，组织中等轴晶比例增加，当电流密度达到11.6A/mm2时出现完整的等轴晶粒，电流密度继续增加，等轴晶粒逐渐粗化，与传统热处理相比，EPT加速了形变时效Cu-20Ni-20Mn合金的微观组织演化。EPT的热效应和非热效应明显引发了回复和再结晶，一方面合金在严重塑性变形过程中产生了高密度位错缠结，由于位错缠结的阻力大于Cu基体，电子通过位错缠结消耗的电能高于Cu基体消耗的电能。这部分电能被转化为焦耳热来加热位错缠结，焦耳热效应导致合金中发生了位错湮灭和形成亚晶粒，在EPT过程中，位错密度降低，亚晶界通过亚晶粒的合并或迁移转变为大角度晶界，形成了再结晶的形核位点；另一方面，合金内大量的高动量电子形成了电子风，这在一定程度上对促进合金的回复和再结晶过程有关键作用。

图1 不同电流密度下形变时效Cu-20Ni-20Mn合金的显微组织(a) 0 A/mm2；(a) 9.8 A/mm2；(c) 10.0 A/mm2；(d) 10.7 A/mm2；(e) 11.5 A/mm2；(f) 11.6 A/mm2；(g) 11.9 A/mm2；(h) 12.4 A/mm2

图2 EPT处理后形变时效Cu-20Ni-20Mn合金的EBSD结果

图3 EPT处理前后形变时效Cu-20Ni-20Mn合金的TEM图 (a)形变时效合金TEM图；(b)为(a)中白圈的HRTEM图像和FFT图像；(c,d)是同一位置明场暗场图；(e,f)是合金在电流密度10.7 A/mm2 EPT处理后的TEM图

图4 不同电流密度下合金的断口形貌 (a) 0 A/mm2；(a) 9.8 A/mm2；(c) 10.0 A/mm2；(d) 10.7 A/mm2；(e) 11.5 A/mm2；(f) 11.6 A/mm2；(g) 11.9 A/mm2；(h) 12.4 A/mm2

图5 EPT对合金组织的影响机理示意图(a) EPT期间，(b) EPT后

总之，本文通过EPT得到了细小的再结晶晶粒、降低了位错密度、使θ-MnNi相局部均匀分布，同时增强了Cu-20Ni-20Mn合金的强度和延性。形变时效合金的抗拉强度为942 MPa，延伸率为1.4%，形变时效Cu-20Ni-20Mn合金在10.7A/mm2电流处理后的抗拉强度和伸长率分别提高到950 MPa和11.3%，合金的脆性断裂演变为延性断裂。本研究阐明了EPT对组织的影响，证实了提高强度和延展性的有效作用。