铝（Al）合金由于其优异的强度重量比、耐腐蚀性和易于加工的特性，在航空航天工业中得到广泛应用[[1], [2], [3]]。然而，当温度T超过200°C时，Al合金的一个主要局限性是其热稳定性较低，这是由于沉淀物迅速粗化所导致的[[4], [5], [6], [7]]。这种粗化会导致两个重要问题：（1）在高温工作条件下机械性能严重下降[[8], [9], [10], [11]]；（2）在组件制造过程中经历高温处理后，室温性能恶化[[12], [13], [14]]。因此，提高Al合金的热稳定性已成为材料研究的关键焦点。在各种合金体系中，Al-Cu合金因其开发耐高温铝合金的潜力而受到特别关注[9,[15], [16], [17], [18], [19], [20]]。
Al-Cu合金的沉淀物序列通常如下：过饱和固溶体（SSSS）→ GP区→ θ??沉淀物→ θ?沉淀物→ θ沉淀物。其中，θ?-Al?Cu相是Al-Cu合金中最重要的强化沉淀物[21]。然而，由于其高粗化速率和亚稳态特性（易于转变为平衡态θ相），当温度超过200°C时，会导致机械性能下降[22]。
已经探索了几种提高Al-Cu基合金热稳定性的方法。一种常见的方法是与过渡元素（如Fe、Ce、Co和Ni）合金化，这些元素在凝固过程中形成大量热稳定的微米级金属间化合物颗粒[[23], [24], [25], [26], [27], [28], [29]]。这些颗粒可以通过载荷传递机制在高温下有效提高机械强度[27,[30], [31], [32], [33]]。此外，研究表明，晶界间的金属间化合物颗粒可以通过减少无沉淀区（PFZ）来减轻高温变形过程中的空洞形成[34]。另一方面，这些脆性的金属间化合物颗粒容易因应力集中而产生裂纹，从而不可避免地影响延展性。增材制造技术的进步（具有极高的凝固冷却速率[35,36]）为将这些金属间化合物颗粒减小到纳米级别提供了新的可能性，有可能同时提高强度和延展性[[37], [38], [39]]。
除了引入微米级金属间化合物颗粒外，提高纳米级沉淀物的热稳定性对于使Al-Cu合金在高温下运行也至关重要。一种有效的策略是在沉淀物/Al界面处创建低扩散性溶质原子的界面聚集[[40], [41], [42], [43]]。例如，钪（Sc）是一种典型的低扩散性元素，具有较高的固溶度，实验发现它会在θ?-Al?Cu/Al基体界面聚集[44]。这种聚集降低了界面能（热力学方面）并延缓了界面迁移（动力学方面），从而减缓了高温下θ?沉淀物的粗化。已经采取了多种方法来增强界面聚集。例如，研究表明，多步热处理可以将Sc的界面浓度提高三倍，同时避免在Sc聚集过程中θ?沉淀物的粗化[45]。同时添加多种低扩散性元素（如Fe、Mn、Zr和Sc）是另一种有效途径，因为这些元素倾向于在沉淀物界面聚集，进一步抑制粗化[7,9,40]。此外，将低扩散性元素掺入沉淀物中可以提高它们的内在稳定性并延缓其转变为平衡相：例如Mn、Fe和Si可以通过替代沉淀物晶格中的Al或Cu原子来稳定θ?沉淀物[46]；而在Al-Cu-Mg-Ag合金中，Sc甚至可以以间隙原子的形式渗透到Ω沉淀物中，诱导原位转变为热稳定的V-沉淀物，即使在高达400°C的温度下也表现出极低的粗化速率[47,48]。
除了使用低扩散性元素稳定强化颗粒外，细化初始沉淀物尺寸以保持高温下的机械性能也同样重要[49]。这是因为合金在给定服役时间内的高温强度取决于两个主要因素：沉淀物的初始尺寸和它们的粗化速率[[50], [51], [52], [53]]。为了细化初始沉淀物尺寸，通常会在Al-Cu基合金中引入低熔点的快速扩散元素（如铟（In）、锡（Sn）或镉（Cd），作为后续沉淀物生长的成核位点[[54], [55], [56], [57], [58], [59], [60], [61]]。这种异质成核效应导致细小分散的θ′沉淀物密度增加，显著提高了Al-Cu合金的强度[58]。
此外，密度泛函理论（DFT）计算表明，这些低熔点元素在θ′沉淀物的相干和半相干界面处有强烈的聚集倾向[46]，它们可以改变界面化学键合状态，降低界面能，并消耗θ′/Al基体界面附近的空位[46,55,62]，从而降低Cu原子向沉淀物的扩散速率[63]。然而，尽管这些元素在抑制粗化方面具有潜在的优势，但由于它们的高扩散性，通常不用于开发耐热Al合金，因为它们会导致“瞬态”聚集行为。在高温下，Cd原子会迅速从界面迁移或聚集成富Cd颗粒[64]，从而失去有益的聚集效果。
在本研究中，我们试图重新审视Cd在提高Al合金耐热性方面的潜在作用。基本思路是将快速扩散元素Cd（促进初始沉淀物分布的细化）与慢速扩散元素Sc（抑制后续粗化）结合使用。主要目的是确定这两种微合金元素之间是否存在相互作用，以及这种相互作用是否能够恢复Cd在提高沉淀物稳定性方面的有限潜力。与以往通常在Al-Cu合金中使用0.1-0.3 wt.% Sc的研究不同，本研究有意将昂贵的Sc添加量限制在仅0.055 wt.%。尽管浓度较低，我们发现Cd不仅加速了θ′-Al?Cu沉淀物的成核，还与Sc表现出强烈的耦合作用，与仅含Sc或Cd的合金相比，热稳定性得到了意想不到的提高。我们讨论了Sc和Cd的单独作用以及它们的联合作用，以阐明它们对沉淀物和微观结构稳定性的协同效应，为进一步开发耐热Al合金提供依据。
