在耐热Al-Cu基合金中，多种强化机制的同步激活

《Materials Science and Engineering: A》：The synchronized activation of multiple strengthening mechanisms in heat-resistant Al-Cu based alloys

针对Al-Cu合金高温性能不足的问题，本研究通过添加Ni、Sc及Fe-Co组合微合金元素，协同激活三种强化机制：微米级富Ni共晶相、纳米Al3(Sc,Zr)析出相及θ/Al界面溶质偏析，显著提升合金在300℃时效100小时后的高温强度至206.5MPa。

　　

尹鹏飞|丁立鹏|张凯哲|王成林|翁瑶瑶|刘超强|贾志红

南京工业大学轻质材料国家重点实验室，南京，211816，中国

摘要

通过多种表征技术系统研究了不同微合金元素（Ni、Sc、Fe + Co）对Al-Cu-Mn-Zr-V合金第二相演变和高温性能的影响。设计了一种新的Al-Cu合金，通过联合添加Ni和Sc来结合三种不同的强化机制：(i) 微米级的含Ni共晶相；(ii) 纳米级的Al₃(Sc,Zr)和T_Mn分散体；(iii) Mn、Ni、V和Sc在θ'/Al界面处的偏聚，这提高了纳米级θ′相在热处理过程中的抗粗化能力。尽管Ni的添加降低了合金的峰值时效强度，但在300°C下热处理100小时后，合金的室温和高温强度显著提高。高度稳定的含Ni共晶相可以固定晶界，减轻其对高温性能的不利影响。高密度的Al₃(Sc,Zr)分散体不仅通过Orowan机制增强合金强度，还为θ′相提供了形核位点，从而细化了θ′相的分布。Mn、Ni、V和Sc在θ'/Al界面处的偏聚可以阻碍溶质原子的迁移，从而在热处理过程中显著细化θ′相。由于这三种强化机制的协同作用，该合金在300°C下热处理100小时后表现出优异的高温强度，达到206.5 MPa。本研究的结果预计将为开发下一代基于Al-Cu的耐热合金提供重要的理论基础和实验支持。

引言

近年来，随着航空航天和汽车应用的需求增加，耐热铝合金的发展受到了越来越多的关注。在各种铝合金中，Al-Cu合金因其低成本和高强度重量比而成为最有前景的耐热铝合金[[1], [2], [3], [4]]。θ' (Al₂Cu)沉淀物的高密度形成是合金达到峰值强度的原因。然而，当服务温度超过150–200°C的范围时，θ′沉淀物通常会粗化并转变为平衡的θ相，导致强度显著下降和蠕变抗力不足[5]。这些固有的限制严重限制了它们在中高温服务环境中的进一步应用。

添加Zr已被证明是提高Al-Cu合金热稳定性的关键策略[6]。Zr可以与Al原位反应形成Al₃Zr金属间化合物，这种化合物具有超高的熔点（约1580°C）和优异的热稳定性，从而提高了合金的热稳定性[7]。Al₃Zr相主要存在两种不同的形态和结构变体。第一种变体是在铸造过程中形成的初级微米级Al₃Zr颗粒，具有稳定的四方D0₂₃结构，是铸态合金的有效晶粒细化剂。第二种变体是在均匀化过程中形成的次级纳米级Al₃Zr颗粒，采用立方L1₂结构——其特征是与Al基体具有连贯的界面结合[8,9]。L1₂-Al₃Zr颗粒可以有效阻碍晶界迁移，从而抑制合金的再结晶。此外，Al₃Zr颗粒还作为异质形核位点，促进θ′相的沉淀。然而，Al₃Zr相仍面临技术瓶颈：(i) L1₂-Al₃Zr相仅是亚稳态的，在长时间高温作用下会转变为稳定的四方D0₂₃相，导致强度显著下降[10]；(ii>由于铸造过程中的Zr微偏聚，L1₂-Al₃Zr相的分布相当不均匀，限制了Al₃Zr的强化潜力[11]。这些问题仍然是限制Al-Cu-Zr合金机械性能优化的核心挑战。

目前，微合金化被认为是调节Al-Cu-Zr合金高温性能的有前景的方法[[12], [13], [14], [15]]。微合金化策略可以分为以下几类：(i) 第一类微合金元素促进Al₃Zr相的沉淀。例如Er、Ti、V和Sc可以部分替代Al₃Zr晶格中的Zr原子[10,[16], [17], [18], [19]]。这种替代导致形成三元或四元铝化物化合物，减少了Al₃Zr与基体之间的晶格参数失配或界面能，从而提高了颗粒的抗粗化能力。值得注意的是，不同过渡元素的扩散速率会影响Al₃Zr相的组成和晶格参数，从而增加其形核率和抗粗化能力。例如，在同时添加Sc和Zr的Al合金中形成的L1₂-结构的Al₃(Sc_1-xZr_x)颗粒具有富Sc的核心和富Zr的外壳[7,[20], [21], [22]]，这种结构使它们比L1₂-Al₃Zr相具有更好的热稳定性[[23], [24], [25]]。(ii) 第二类微合金元素抑制θ′相的粗化。包括Sc、Zr、Mn和Ti在内的元素在θ′相的半相干和相干界面处偏聚，从而降低界面能并提供溶质扩散障碍，进而降低形核能障碍，提高θ′相的抗粗化能力[5,[26], [27], [28], [29], [30], [31], [32]]。一些元素，如Sc，能够同时发挥上述两种作用：促进Al₃Zr的沉淀和抑制θ′相的粗化。(iii) 第三类微合金元素诱导额外的耐热金属间相的形成。Yang等人[33]报告称，在Al-Cu合金中添加Ni可以促进三种含Ni的金属间相（ε-Al₃Ni、δ-Al₃CuNi和γ-Al₇Cu₄Ni）的沉淀，具体取决于合金的组成。定量分析表明，它们的强化效率顺序为δ-Al₃CuNi > γ-Al₇Cu₄Ni > ε-Al₃Ni。Su等人[34]证明，添加Ni进一步促进了T-Al₂₀Cu₂Mn₃的形核，从而协同提高了合金的热稳定性。Rakhmonov等人[35]发现，在Al-Cu-Mn-Zr基合金中添加Ni、Co、Fe可以形成抗粗化的Al₉Co₂、Al₃Ni和Al₇Cu₂Fe沉淀物，显著提高了合金的蠕变抗力。

在本研究中，我们证明了通过在铸态Al-Cu-Zr合金中添加多种微合金元素，可以同时激活上述三种机制，从而在热处理后提高常温和高温下的强度。引入共晶耐热金属间颗粒、纳米级Al₃Zr分散体以及溶质原子在θ'/Al界面处的偏聚，使得铸态Al-Cu合金的热稳定性优于以往的文献报道。尽管其他研究人员也探索了过渡元素的联合添加。例如，Hu等人[36]指出，同时添加Zr、Ti和V可以显著提高300°C下θ′沉淀物的抗粗化能力并抑制蠕变变形。然而，这些元素都是通过在θ′相界面处偏聚来发挥作用的，导致性能提升有限。Zhu等人[37]报告称，同时添加Ni和Sc可以有效地提高Al-Cu-Mn合金的高温机械性能，因为形成了连续的Al₇Cu₄Ni网络和球形的Al₃CuNi及Al₃(Sc,Zr)分散体。然而，这些元素对θ′沉淀物的影响被忽略了。本研究不仅通过同时添加多种微合金元素（Ni、Sc和Fe-Co的联合添加）促进了多种强化机制的激活，还阐明了不同微合金化策略的强化潜力。这些发现预计将为开发具有优异高温热稳定性的新型Al-Cu基耐热合金提供关键的理论基础和实验支持。

实验程序

本研究中研究的合金采用直接冷却铸造方法制备。制备过程如下：首先，在760°C下将约13公斤的原材料熔化在石墨坩埚中。保持30分钟后，将720°C的熔体倒入一个水冷（5-10°C）的圆柱形钢模中，模具尺寸为100 × 100 × 400 mm³。四种合金的化学成分（通过发射光谱测量）见表1。基体S1

铸态微观结构

图2显示了铸态合金的偏振光显微镜（PLOM）图像。所有四种铸态合金均表现出等轴晶粒形态，平均晶粒尺寸分别为S1合金78.1 ± 2.3 μm，S2合金77.0 ± 3.1 μm，S3合金120.7 ± 1.3 μm，S4合金98.2 ± 2.2 μm。S1和S2合金的晶粒尺寸相似，表明Ni的添加不影响合金的晶粒尺寸。与S1合金相比，S3和S4合金的晶粒尺寸有所增大。

讨论

在本研究中，通过调节多种过渡金属（TM）元素，在四种铸态Al-Cu-Mn-Zr-V合金中激活了多尺度第二相颗粒。对于基体S1合金，Mn、Zr和V在提高合金的高温强度方面起着重要作用。首先，Zr的存在可以在固溶处理过程中促进高密度Al₃Zr分散体的形成。此外，Zr和V的联合添加可以显著促进Al₃(Zr)

结论

系统研究了多种微合金元素（Ni、Sc、Fe + Co）对Al-Cu-Mn-Zr-V合金第二相演变和高温性能的影响，旨在提高这些合金的高温性能。主要研究结果总结如下。

• (1)
  Ni的添加可以促进Al-Cu-Mn-Zr-V合金中γ-Al₇Cu₄Ni和δ-Al₃CuNi相的形成。这些相由于消耗了

CRediT作者贡献声明

尹鹏飞：撰写——原始草案，研究，数据分析。丁立鹏：撰写——审稿与编辑，资源提供。张凯哲：方法学研究。王成林：指导。翁瑶瑶：指导。刘超强：指导。贾志红：指导。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了国家重点研发计划（编号：2024YFB3715404）、国家自然科学基金（批准号：52371111、52471136）、江苏省基础研究计划（编号：BK20232025）以及江苏省高等教育机构优先学术发展计划的支持。