微量Er添加对Al-0.08Sc-0.06Zr合金时效硬化行为及Al3M析出相演化的影响研究

本研究针对Al-Sc-Zr合金在400?°C长期时效过程中析出相调控难题，通过微量Er合金化开展系统研究。结果表明，0.01?at.% Er的添加显著提升了Al-0.04Sc-0.06Zr和Al-0.08Sc-0.06Zr合金的峰值硬度，并加速了Al-0.16Sc-0.06Zr合金的时效硬化动力学。通过TEM和APT表征，首次揭示了Al3(Er,Sc,Zr)析出相经历"核-壳-三层"的独特演化路径，展现出优异的抗粗化能力和单分散分布特征，为高性能铝合金设计提供了新思路。

　　

在航空航天和交通运输领域对轻量化材料需求日益增长的背景下，高强韧铝合金的研发始终是材料科学界的焦点。Sc、Zr等元素的添加能通过形成纳米级Al₃Sc、Al₃Zr析出相显著提高铝合金的强度和耐热性能，但这些析出相在高温长时间服役过程中容易发生粗化，导致性能衰减。如何有效抑制析出相粗化、提高其热稳定性，成为制约高性能铝合金发展的关键技术瓶颈。

为了解决这一难题，北京工业大学材料科学与工程学院的王建柱、高坤元等研究人员在《Materials》上发表了关于微量Er添加对Al-Sc-Zr合金影响的最新研究成果。研究团队创新性地采用Er微合金化策略，系统探究了Al-xSc-0.06Zr(-0.01Er) (x = 0.04, 0.08, 0.16 at.%)合金在400°C时效长达144小时过程中的硬化行为演变规律，并深入揭示了析出相的微观结构演化机制。

研究采用显微硬度测试、电导率测试、透射电子显微镜(TEM)和原子探针断层扫描(APT)等关键技术方法，对合金的力学性能和微观结构进行了全面表征。其中，TEM用于观察析出相的形貌、尺寸和分布，APT则能够实现原子尺度的成分分析，为理解析出相的演化机制提供了直接证据。

时效硬化响应

通过系统研究不同Sc含量合金的时效硬化行为，发现微量Er添加对合金性能提升具有显著效果。在Al-0.04Sc-0.06Zr和Al-0.08Sc-0.06Zr合金中，0.01 at.% Er的添加使峰值硬度显著提高；而在Sc含量较高的Al-0.16Sc-0.06Zr合金中，Er的加入加速了时效硬化动力学。基于其优异的硬化效果，Al-0.08Sc-0.06Zr-0.01Er合金被选为后续详细析出相分析的对象。

早期析出行为

在时效初期(3分钟内)，含Er合金中即形成了均匀分布的细小球形Er/Sc富集粒子，而对比的不含Er合金中析出相则较为稀疏。这一发现表明Er的添加促进了析出相的形核，提高了析出相的密度，为合金提供了更强的强化效果。

析出相演化机制

研究首次完整揭示了Al₃M(M=Er,Sc,Zr)析出相的三阶段演化过程：第一阶段(3分钟)形成Al₃Er核心，半径仅为1.4±0.8 nm；第二阶段(1小时)发展为核壳结构的Al₃(Er,Sc)粒子，尺寸增大至3.6±0.6 nm；第三阶段(144小时)形成独特的三层核壳结构Al₃(Er,Sc,Zr)粒子，最终尺寸为4.2±0.5 nm。特别值得注意的是，从1小时到144小时的长时间时效过程中，析出相尺寸仅略有增加，表现出卓越的抗粗化能力。

尺寸分布特征

当时效时间达到144小时，对Al₃Er核心、Al₃(Er,Sc)内壳和Al₃(Er,Sc,Zr)完整粒子的尺寸分布进行统计分析发现，随着每个壳层的添加，尺寸分布逐渐变窄。这种单分散分布特征(半高宽仅为0.24)归因于Al₃M粒子处于尺寸聚焦区，使得较小粒子生长较快，而较大粒子生长较慢，从而实现了尺寸的自发均一化。

该研究通过系统的实验设计和先进的表征手段，明确了微量Er添加对Al-Sc-Zr合金时效硬化行为和析出相演化的影响规律。研究结果表明，Er的引入不仅提高了析出相的形核密度，还通过形成独特的核壳结构显著增强了析出相的热稳定性。更重要的是，研究发现Al₃(Er,Sc,Zr)析出相在长时间高温时效后仍能保持单分散分布状态，这一现象为理解多组元析出相的稳定性调控机制提供了重要理论依据。

这项工作的科学价值在于揭示了Sc、Zr、Er多组元协同微合金化对析出相演化行为的调控作用，建立了成分-结构-性能之间的内在联系。所发现的尺寸聚焦效应和自发均一化现象为设计具有优异高温稳定性的铝合金材料提供了新思路，对推动高性能铝合金在高温环境下的应用具有重要意义。研究成果不仅深化了对多组元析出相演化机理的认识，也为开发新一代耐热高强铝合金奠定了实验和理论基础。