Fe/Mn配比对Al-xFe-(6-x)Mn合金微观结构与力学性能的协同调控机制及热稳定性优化研究

为解决传统铝合金高温强化相热稳定性与数量密度难以兼顾的瓶颈问题，中南大学团队通过调控Fe/Mn比例与冷却速率，系统研究了Al-xFe-(6-x)Mn合金中Al6 (Fe,Mn)纤维相的形成机制及界面共格效应。研究发现Fe/Mn=1时基体层错能最低且形成(3 1 1)Al6(Fe,Mn) //(0 0 2)Al 共格界面，快冷工艺使强化相细化至100 nm，使Al-4Fe-2Mn合金硬度达115 HV，为耐热铝合金设计提供新思路。

　　

在航空航天和汽车工业对轻量化材料需求日益增长的背景下，传统铝合金如Al-Cu、Al-Mg-Si等因强化相在250°C以上快速粗化而难以满足高温应用需求。虽然Al-Fe、Al-Ce等耐热铝合金通过引入扩散速率慢的合金元素（Fe、Ce等）提高了热稳定性，但其强化相数量密度受限于低固溶度，导致力学性能不足。这一"热稳定性与数量密度不可兼得"的矛盾，成为制约耐热铝合金发展的关键瓶颈。

针对这一挑战，中南大学团队选择资源丰富、成本低廉的Al-Fe-Mn体系作为研究对象。该体系中Mn元素能抑制脆性Al₁₃
Fe₄
相形成，并提高亚稳态Al₆
Fe相的稳定性。研究人员通过精确调控Fe/Mn比例（6:0至0:6）和冷却速率（铜模快冷与常规铸造），结合纳米压痕、透射电镜（TEM）和电子探针（EPMA）等先进表征手段，揭示了合金成分-结构-性能的构效关系。

关键技术方法
研究采用真空感应熔炼制备Al-xFe-(6-x)Mn（x=0-6）系列合金，通过铜模铸造实现快速凝固。利用电子探针（EPMA）分析元素分布，透射电镜（TEM）观察相变行为，高分辨电镜（HRTEM）解析界面取向关系，纳米压痕测试基体与强化相的力学参数，结合拉伸试验评估宏观性能。

Fe/Mn比例对铸态组织的影响
研究发现：纯Al-6Fe合金中粗大Al₁₃
Fe₄
相呈星状多尖角形貌，而Al-6Mn合金则形成片层状Al₆
Mn相，二者均易引发应力集中。当Fe/Mn=1（Al-3Fe-3Mn）时，Mn/Fe协同作用促使Al₆
(Fe,Mn)纤维相形成，取代粗大脆性相。HRTEM显示该比例下界面呈现(3 1 1)_Al6(Fe,Mn)
//(0 0 2)_Al
和(2 -2 1)_Al6(Fe,Mn)
//(-1 1 1)_Al
的共格关系，界面能最低。

冷却速率的调控效应
快冷使骨架状Al₆
(Fe,Mn)相转变为100 nm级纤维，显著提升力学性能。Al-4Fe-2Mn快冷样品硬度达115 HV，比常规铸造提高35%。纳米压痕数据显示Fe/Mn=1时基体硬度最低（层错能降低所致），而Al₆
(Fe,Mn)相硬度与熵值呈反比，揭示了成分-性能的物理本质关联。

研究结论与意义
该工作首次阐明Fe/Mn比例通过改变层错能和界面共格性调控合金性能的机制：当Fe/Mn=1时，基体层错能最低且形成共格界面，使Al₆
(Fe,Mn)相热稳定性最优；快冷工艺可实现强化相纳米纤维化，突破传统耐热铝合金强度-热稳定性权衡效应。研究成果发表于《Journal of Alloys and Compounds》，为设计兼具高强韧性和优异热稳定性的铝合金提供了理论依据和工艺指导，对推动航空航天用耐热材料发展具有重要意义。