通过Sc和Zr共微合金化提高SiCp/Al-Cu-Mg复合材料的超高温强度

《Journal of Alloys and Compounds》：Superior High-Temperature Strength in SiCp/Al-Cu-Mg Composites via Sc and Zr Co-Microalloying

Sc/Zr共微合金化显著提升Al基复合材料高温性能，通过形成热稳定Al3(Sc,Zr)沉淀相抑制位错恢复与析出相粗化，并增强位错攀移阈值应力。15 vol% SiCp/Al-Cu-Mg复合材料的300℃抗拉强度达157 MPa，较未合金化样品提高66%。

　　

蔡云鹏|刘侃|华安东|苏一石|欧阳秋宝|张迪

上海交通大学材料科学与工程学院金属基复合材料国家重点实验室，上海，200240，中国

摘要

轻量化设计策略要求高性能的铝基复合材料（AMCs）。然而，AMCs在高温下的应用常常受到其热不稳定性和快速强度下降的限制。在这里，我们提出了一种通过Sc和Zr共微合金化来提高AMCs的热稳定性和高温强度的策略。通过粉末冶金方法制备了不同Sc和Zr添加量的15 wt% SiCp/Al-Cu-Mg复合材料。含有0.2 wt% Sc和0.2 wt% Zr的复合材料在300 °C时表现出最高的强度，其极限抗拉强度为157 MPa，比不含Sc/Zr的复合材料高出66%。这种显著的高温性能归因于形成了热稳定的Al?(Sc,Zr)沉淀物，这些沉淀物有效地固定了位错，抑制了位错回复，并稳定了θ-Al?Cu沉淀物的粗化。此外，Sc和Zr的共微合金化提高了位错攀移的阈值应力，从而促进了更有效的晶内强化。位错强化和Orowan强化被认为是决定Sc和Zr共微合金化复合材料优异高温强度的主要机制。

引言

铝基复合材料（AMCs）由于其独特的特性（包括低密度、高比强度和模量以及优异的耐磨性）而成为有前景的轻质结构材料[1]、[2]、[3]。在航空航天、汽车等要求苛刻的行业中，高温下的优异热稳定性和机械性能对于许多关键应用至关重要。然而，由于铝合金及其复合材料的热不稳定性和强度随温度升高而迅速下降[4]、[5]、[6]，它们在高温下的广泛应用受到了限制。因此，开发耐热AMCs的需求很高。

为了在高温下实现高机械性能，强化策略大致可以分为两类：（1）通过传统的强化机制（如晶界强化、Orowan强化和位错强化）来提高材料的室温机械性能；（2）通过抑制微观结构演变来提高材料的热稳定性，从而在高温下尽可能保持强度。一个自然的想法是将这两种策略结合起来，但它们通常涉及权衡。大多数传统的强化机制依赖于本质上亚稳态的微观结构。高温会加速微观结构向平衡状态的演变，导致强化特性的退化：位错湮灭和重排，减少位错强化和加工硬化；沉淀物粗化或溶解，降低沉淀强化；以及晶粒生长，削弱晶界强化。因此，那些在室温下提供高强度的特性在高温下变得不稳定并迅速退化，导致显著的软化。例如，超细晶粒（UFG）AMCs由于其高密度的晶界而具有出色的室温强度，但会受到热不稳定性的影响[7]、[8]。这突显了开发能够克服这一困境的策略的迫切需求。

纳米级的增强剂被引入AMCs中，包括0维的MgO [9]和Al?O? [10]纳米颗粒、1维的碳纳米管 [12]和SiC纳米线 [13]，以及2维的石墨烯 [14]、BN纳米片 [15]和TiC网络 [16]、[17]。通过调整这些热稳定增强剂的尺寸和结构，AMCs的高温机械性能得到了改善，主要是通过它们抑制晶界迁移的能力。然而，由于难以实现均匀分散，纳米级增强剂的体积分数通常受到限制，从而阻碍了AMCs充分发挥其高模量。此外，尽管这些增强剂本身具有耐热性，但它们无法抑制由扩散驱动的微观结构演变（如沉淀物粗化），使得铝基体在高温下成为薄弱环节。微合金化被认为是强化铝基体的有效方法。微量添加稀土元素（如Sc [18]、[19]、[20]、Er [21]、[22]、Ce [23]、[24]）以及其他过渡金属元素（包括Zr [25]、[26]、Ti [11]、[27]、Ni [28]）可以显著提高铝合金的高温机械性能。主要的强化效应来源于形成热稳定的分散相和沉淀物，如Al?Ni微纤维、Al?Ti和Al?Sc沉淀物。值得注意的是，纳米级的Al?Sc沉淀物具有L1?型晶体结构，并与铝基体具有相干界面[29]、[30]。这些Al?Sc纳米沉淀物在300℃以下表现出良好的抗粗化性能，通过与Zr的共微合金化可以进一步改善。Zr可以替代Sc在Sc亚晶格上的位置，形成具有核壳结构的Al?(Sc, Zr)沉淀物[31]。由于Sc和Zr的扩散系数不同，Sc扩散更快，形成富Sc的核心，而扩散较慢的Zr形成富Zr的外壳。由于粗化阶段受Zr扩散控制，这种独特的核壳结构赋予Al?(Sc, Zr)沉淀物优异的热稳定性。然而，Sc和Zr在铝中的溶解度极低，限制了这类沉淀物的可实现体积分数（<0.3体积%）[18]。为了解决这个问题，一种有前景的策略是将Sc和Zr引入传统的可热处理铝合金中。这种方法旨在形成高密度和高稳定性的沉淀物，从而实现强度和热稳定性的良好平衡。

受到上述问题的启发，采用了Sc和Zr的共微合金化来提高铝基复合材料的高温机械性能。在这项研究中，通过高能球磨、真空热压烧结和热挤压制备了不同Sc和Zr含量的15 wt% SiCp/Al-Cu-Mg复合材料。系统研究了这些复合材料的高温抗拉性能和微观结构演变。深入分析了Sc和Zr共微合金化对热稳定性和变形行为的影响，并阐明了其背后的强化机制。

部分摘录

原材料和复合材料制备

本研究中使用的原材料包括2024铝合金粉末（5-70 μm，D50 = 17 μm），其名义组成为Al-3.8Cu-1.4Mg（重量%），SiC颗粒（2-74 μm，D50 = 15 μm），纯Sc粉末（5-300 μm，D50 = 45 μm）和纯Zr粉末（2-60 μm，D50 = 25 μm）。图1(a)展示了这些材料的形态，插图显示了相应的粒径分布。如SEM图像所示，铝合金粉末呈球形，SiC颗粒为多面体，而Sc

Sc/Zr微合金化SiCp/Al-Cu-Mg复合材料的微观结构

图2(a-c)展示了无Sc/Zr、0.2Sc和0.2Sc+0.2Zr复合材料的背散射电子（BSE）SEM形态。所有样品均为横截面，并垂直于挤压方向。在所有复合材料中，SiC颗粒表现为暗相，并且分布均匀（如图S1所示），没有明显的聚集现象。在所有复合材料中都观察到了不同大小的沉淀物。为了分析这些沉淀物的组成，进行了EDS元素映射

Sc/Zr微合金化对SiCp/Al-Cu-Mg复合材料热稳定性的影响

热稳定性反映了材料在高温下抵抗微观结构演变和退化的能力，这直接决定了其在热暴露下的机械性能。在本研究中，微观结构演变主要涉及（1）位错回复和湮灭；（2）晶粒生长；以及（3）沉淀物粗化。以下分别讨论这些方面。

如图6(f)所示，无Sc/Zr复合材料的GND密度从8.4×101?/m2降低到6.7×10

结论

在这项工作中，通过粉末冶金方法制备了不同Sc和Zr含量的15 wt% SiCp/Al-Cu-Mg复合材料，包括高能球磨、真空热压烧结和热挤压。系统研究了这些复合材料的高温抗拉性能和微观结构演变。深入分析了Sc和Zr共微合金化对热稳定性和变形行为的影响，并阐明了其背后的强化机制。

CRediT作者贡献声明

蔡云鹏：撰写——原始草稿、方法论、研究、数据分析。刘侃：撰写——审阅与编辑、数据分析。华安东：数据分析。苏一石：撰写——审阅与编辑、监督。欧阳秋宝：监督、资源获取、概念化。张迪：验证、项目管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了中国国家重点研发计划（编号2022YFB3708900）和中国国家自然科学基金（编号52471161、52192595、51971132）以及上海交通大学2030计划的支持。