——导读——

北京工业大学聂祚仁院士联合太原科技大学团队，在《Journal of Alloys and Compounds》期刊发表了题为“Synergistical enhancements of strength and electrical conductivity of Al-Cu-Er alloy by two-stage annealing”的文章。该研究针对Al-Cu合金强度与电导率难以兼得的问题，提出了Er微合金化结合两段退火（300°C/3h+200°C/24h）的方法，获得了硬度62.4 HV、电导率60.5% IACS、154°C下服役寿命约40年的高性能合金，机理在于高温优先析出热稳定Al₃Er纳米颗粒，低温析出θ'-Al₂Cu强化相，实现协同强化。DOI: 10.1016/j.jallcom.2026.187178

论文题目：Synergistical enhancements of strength and electrical conductivity of Al-Cu-Er alloy by two-stage annealing
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2026.187178

——研究背景——

Al-Cu合金因其轻质、低成本、优异的导电性和机械加工性，已成为电力传输（例如架空导线、母线）和新能源设备（例如充电桩导体、储能装置连接线束）的核心导体材料 [1,2]。然而，强度与导电性之间的固有矛盾，以及长期服役条件下热稳定性不足，已成为制约Al-Cu合金进一步发展和应用的核心挑战 [3,4]。

通常，Al-Cu合金优异的力学性能主要源于强化相（θ'-Al₂Cu）的析出和微观组织细化。Al₂Cu析出相通过钉扎位错和界面强化提高强度，但这些析出相及基体中残留的溶质原子会增加电子散射，从而降低电导率 [5]。同时，纯Al-Cu合金耐热性较差——在高温下容易发生再结晶和析出相粗化，导致快速软化和性能下降 [6,7,8]。显著缓解这种"强度-电导率-耐热性"之间的权衡关系，长期以来一直是铝合金材料领域的研究焦点。

应对这一挑战的相关研究工作主要可分为两个方向：微合金化改性和热处理/热机械工艺优化。在微合金化方面，稀土元素和过渡金属（如Zr、Ti）因其独特的原子结构及与Al基体的相互作用而备受关注。其中，Zr能形成具有一定热稳定性的Al₃Zr析出相，但其析出动力学缓慢，且与α-Al的晶格失配度相对较高，导致中等程度的电子散射；Ti倾向于形成粗大的TiAl₃相，不利于合金的塑性和导电性 [9]。Sc通过Al₃Sc析出相显示出显著效果，但其高昂的成本（约为Er的80–100倍）限制了其大规模工业应用 [10,11]。相比之下，Er作为高效微合金化元素更具潜力。Er在Al基体中倾向于形成具有L1₂结构的热稳定性Al₃Er纳米颗粒 [12,13]。该相不仅能钉扎位错和晶界，抑制再结晶和析出相粗化 [14,15]，而且Al₃Er相与面心立方结构的α-Al之间的晶格失配度低。因此，它不易诱发晶粒粗化，且对电子散射影响极小 [16,17]。这为实现合金强度和导电性的更好平衡提供了重要的结构基础。

在工艺优化方面，传统的单段时效工艺因其析出温度区间不同，往往无法协调不同强化相的析出。例如，Al₂Cu（θ'）相的析出温度通常为150–250°C，而Al₃Er相的析出温度约为300°C [18,19]。单段退火要么优先形成Al₂Cu相但抑制Er析出，要么促进Al₃Er形成但以Al₂Cu回溶和再结晶为代价，难以同时优化强度、导电性和耐热性。诸如高压扭转等剧烈塑性变形工艺可以细化晶粒、增加位错密度以提高强度，但这往往导致电导率显著下降，只能通过后续退火部分恢复 [20]。其次，对该合金热稳定性和长期服役可靠性的定量表征尚不充分，这限制了其在新能源设备散热部件、高温电缆等高温条件下的应用 [2,21]。

为应对这些挑战，本研究聚焦于Er微合金化与新型两段退火工艺对Al-Cu合金的协同效应。通过引入Er作为微合金化元素，并设计"高温+低温"两段退火工艺，旨在开发出强度、电导率和耐热性部分解耦的高性能合金，为铝基导体材料的性能优化提供新策略。

图4. 1#和2#合金在等温退火过程中硬度和电导率随时间的变化。(a) 150°C硬度；(b) 200°C硬度；(c) 300°C硬度；(d) 150°C电导率；(e) 200°C电导率；(f) 300°C电导率。

图5. (a) 1#合金在不同二级退火温度下的硬度与电导率演变；(b) 1#合金在不同二级退火温度下硬度与电导率的耦合演变特征；(c) 1#合金的工程应力-应变曲线。

图6. 经300°C退火3 h的1#合金沿[100] Al晶带轴拍摄的TEM显微图。(a) 沿位错分布的析出相的HAADF-STEM显微图；(b) 沿亚晶界分布的位错的BF-TEM显微图；(c) 析出相呈带状分布的HAADF-STEM显微图；(d) 基体内分布的析出相的HAADF-STEM显微图；(e) 球形析出相的HAADF-STEM显微图；(f) 棒状析出相的HAADF-STEM显微图。

图7. (a) 经300°C/3 h退火后1#合金中球形析出相的HAADF-STEM显微图及相应EDS谱图；(b) 经300°C/3 h退火后1#合金中棒状析出相的HAADF-STEM显微图及相应EDS谱图。

图8. 经300°C/3 h退火后再经200°C/24 h退火的1#合金的TEM显微图。(a) 位错分布的BF-TEM显微图；(b) 高位错密度区域及析出相的高倍BF-TEM显微图；(c) θ'相的HAADF-STEM显微图；(d) Al₂Cu相的HAADF-STEM显微图及相应SAED图谱。

图9. (a) 经300°C/3 h退火后再经200°C/24 h退火的1#合金中棒状析出相的HAADF-STEM显微图及相应EDS谱图；(b) 经300°C/3 h退火后再经200°C/24 h退火的1#合金中球形析出相的HAADF-STEM显微图及相应EDS谱图。

图10. (a) 两段退火后1#合金的耐热性Arrhenius曲线；(b) 铝基合金的工程应力-电导率关联图谱。

——结论——

本研究证实，Er微合金化与定制化两段退火工艺的协同组合显著缓解了Al-Cu合金中传统的强度-电导率权衡难题，同时提升了其热稳定性。主要发现总结如下：

（1）等时退火分析表明，Er的添加显著提高了合金的再结晶温度。更重要的是，在250–325°C退火区间内，Al-Cu-Er合金表现出独特的协同现象：电导率显著提升而硬度无明显下降，这在二元Al-Cu合金中是不存在的。

（2）等温实验证实了一个基本限制：Er（~300°C）和Cu（150–250°C）的最佳析出温度是不同的。单一的退火温度无法同时优化两个过程，导致性能失衡问题持续存在。

（3）开发了一种新型两段退火工艺（300°C/3 h + 200°C/24 h）。高温阶段优先形成热稳定的Al₃Er颗粒，而随后的低温阶段促进了针状Al₂Cu（θ'）相的大量析出。这种协同策略带来了优异的综合性能：硬度为62.4 HV，电导率为60.5% IACS（相比单段退火提高了约2.5% IACS），抗拉强度为195 MPa，延伸率为11.3%。这在Al-Cu合金固有的强度和导电性之间实现了更好的平衡。

（4）优化后的合金展现出卓越的热服役可靠性，在154°C下预计服役寿命约为40年，同时能保持其90%以上的强度，显示出在高温应用中的巨大潜力。