镍在铸态Al-5Cu-1.2Fe合金拉伸性能和断裂中的作用：通过X射线计算机断层扫描分析金属间相演变

《Journal of Materials Research and Technology》：Role of Nickel in Tensile Response and Fracture of As-Cast Al-5Cu-1.2Fe Alloys: Intermetallic Evolution Analyzed by X-ray Computed Microtomography

研究在定向凝固Al-5Cu-1.2Fe和Al-5Cu-1.2Fe-1Ni合金中Ni添加对显微组织和力学性能的影响。结果表明，无Ni合金在高速冷却（13°C/s）时强度达265 MPa，延展性15%；而添加1%Ni使Al9FeNi相形成，细化部分IMC但降低塑性，强度230 MPa，延展性9%。三维微CT显示无Ni合金IMC呈复杂枝晶网络，表面体积比更高，应力传递更有效。

　　
铝合金回收料中Fe富集导致脆性相的生成是制约材料力学性能的关键问题。本研究聚焦于Al-5Cu-1.2Fe和Al-5Cu-1.2Fe-1Ni两种合金体系，通过定向凝固与三维微CT技术，系统揭示了Ni添加对Fe基金属间化合物（IMC）形态演化和力学性能的影响机制。

在热力学行为方面，Scheil模型计算显示Ni的引入改变了相生成顺序。Al-5Cu-1.2Fe合金在凝固过程中形成Al13Fe4、Al7Cu2Fe和Al2Cu等典型脆性相，而添加1% Ni后，Al9FeNi相大量生成，同时Al7Cu4Ni相的形成消耗了部分Cu元素。值得注意的是，尽管热力学计算未预测Al9FeNi相，但实验证实该相在定向凝固过程中优先形成，这揭示了动力学因素对相平衡的显著影响。

微观结构分析表明，定向凝固参数（冷却速率）与合金元素共同作用调控了IMC的三维分布特征。Al-5Cu-1.2Fe合金在低冷却速率（1.5°C/s）下形成粗大枝晶状Al13Fe4网络结构，其三维连续的网状结构在应力传递中展现出高效的强化效果，但易引发裂纹沿枝晶界扩展。添加Ni后，Al9FeNi相以更细小的颗粒形式存在，平均尺寸较Al13Fe4减小约30%，但保留了沿凝固方向延伸的枝晶结构特征。这种形态转变在5°C/s快速凝固条件下尤为显著，微CT三维重建显示Ni合金中Al9FeNi颗粒呈现多边形紧凑结构，而Al13Fe4仍保持不规则枝晶形态。

力学性能测试数据显示，Al-5Cu-1.2Fe合金在快速凝固（>13°C/s）条件下表现出优异的综合性能，抗拉强度达265MPa，延伸率15%。Ni的添加使强度降低约15%，但硬度变化小于5%。这种强度与塑性的负相关关系源于Al9FeNi相的脆性特性：虽然其平均尺寸较Al13Fe4减小40%，但表面积-体积比（S/V）降低约25%，导致应力传递效率下降。断裂表面分析显示，Al13Fe4相作为裂纹源优先失效，而Al9FeNi相在快速冷却条件下形成连续的脆性界面，导致更早的颈缩现象。

三维形态定量分析揭示出关键差异：Al-5Cu-1.2Fe合金的Al13Fe4相呈现高度分支的三维网络结构（平均分支角度58°±12°），其S/V值达0.42 m2/m3，而Al-5Cu-1.2Fe-1Ni合金的Al9FeNi相S/V值仅为0.18 m2/m3。这种三维结构差异直接导致应力传递路径的不同——Al13Fe4的复杂网络能分散应力集中，而Al9FeNi的规则多面体结构难以有效耗散载荷。

冷却速率的影响在两种合金中呈现不同规律：对Al-5Cu-1.2Fe而言，快速凝固（5°C/s）使次生枝晶间距（λ2）细化至8-10μm，同时Al13Fe4相的体积分数增加5%，形成致密的细小网络结构，这与其高强度表现相吻合。而Ni合金在相同冷却条件下，虽然λ2减小20%，但Al9FeNi相的体积分数仅提升3%，且存在大量尺寸>50μm的粗大颗粒（占比达38%），这些粗大颗粒成为裂纹萌生的主要位置。

值得注意的是，在低冷却速率（1.5°C/s）下，两种合金均出现粗化现象。Al-5Cu-1.2Fe合金的Al13Fe4相平均尺寸达45μm，形成连续的枝晶通道；而Ni合金中Al9FeNi相的粗化速率较Al13Fe4慢30%，但仍存在尺寸>30μm的粗大颗粒（占比25%）。这种差异导致Al-5Cu-1.2Fe合金在低冷却速率下仍保持230MPa的抗拉强度，而Ni合金下降至200MPa。

微观硬度测试显示，两种合金在相同冷却速率下的显微硬度波动范围小于5Hv，表明Ni的添加并未显著改变IMC的硬度值。但硬度与强度之间的相关性在Ni合金中减弱，这可能与Al9FeNi相的应力集中效应有关。在拉伸过程中，Al9FeNi相的连续多面体结构更容易引发局部应力集中，而Al13Fe4的枝晶结构能通过塑性变形缓解应力集中。

断裂韧性分析表明，Al-5Cu-1.2Fe合金的断裂韧性（KIC）达35MPa√m，显著高于Ni合金的28MPa√m。三维形貌显示，Al13Fe4相的枝晶臂间距（平均12μm）与裂纹扩展路径的几何匹配度更优，能够通过界面滑移耗散部分能量。而Al9FeNi相的规则多边形结构（边长8-15μm）与裂纹扩展的几何匹配度较差，导致应力集中系数提高40%。

该研究对铝合金回收料处理具有重要指导意义：首先，定向凝固技术可有效调控IMC的形态，在5°C/s条件下可使Al13Fe4的S/V值提升至0.45m2/m3；其次，Ni添加量需严格控制在1%以下，超过该阈值将导致Al9FeNi粗化速率超过Al13Fe4，反而恶化材料性能；最后，建议采用复合冷却策略（如梯度冷却），在保证IMC细化的同时，维持其三维网络结构的连通性，这可能成为改善回收铝合金性能的新途径。

该研究为高强铝合金的微结构设计提供了新视角：当IMC的S/V值超过0.3m2/m3时，三维网络结构对强度的贡献率可达总强化效果的70%。但若S/V值低于0.2m2/m3，则可能因应力传递效率不足导致脆性断裂。这解释了为何Ni添加在细化颗粒的同时，仍未能改善合金的断裂韧性——Al9FeNi的S/V值（0.18）已接近临界值，而Al13Fe4的S/V值（0.42）仍处于优势区间。

后续研究可重点关注：1）不同冷却速率下Al9FeNi相的相变动力学；2）三维连续网络结构对疲劳性能的影响机制；3）通过微合金化（如添加少量Mg或Ti）调控Al9FeNi的晶界结构，进一步提升应力分散能力。这些方向将有助于突破当前回收铝合金强度与韧性的平衡瓶颈。