镍(Ni)与钪(Sc)复合添加对Al-Cu-Mn-Zr合金非等温时效析出行为的协同调控机制

本研究针对Al-Cu-Mn-Zr合金在非等温时效过程中θ′强化相调控难题，通过DSC、TEM结合Avrami-Johnson-Mehl(AJM)模型，揭示了Ni单掺与Ni-Sc共掺对溶质原子团簇抑制、θ′相转化的差异化影响，建立了析出动力学模型与TTT曲线，为航空航天用高温铝合金设计提供理论支撑。

　　

在航空航天和军用汽车发动机领域，Al-Cu-Mn-Zr合金因其优异的高温稳定性和比强度成为明星材料。然而，传统等温时效工艺对θ′强化相的调控存在局限性——溶质原子团簇在低温区过度形成会消耗强化元素，而高温区θ′相向稳态θ相的不可控转化又会导致强度衰减。更棘手的是，微合金元素Ni与Sc的单独添加虽能改善性能，但二者复合作用机制仍是未解之谜。

内蒙古自治区科研团队在《Materials Today Communications》发表的研究，通过设计Al-Cu-Mn-Zr、Al-Cu-Mn-Zr-0.3Ni和Al-Cu-Mn-Zr-0.2Ni-0.1Sc三组合金体系，采用差示扫描量热法(DSC)模拟非等温升温过程，结合透射电镜(TEM)原位表征和Avrami-Johnson-Mehl(AJM)动力学建模，系统解析了微合金化对析出序列的调控规律。关键技术包括：10 K/min升温速率的DSC热分析、基于AJM方程的析出动力学计算、显微硬度与力学性能关联建模，以及TEM纳米尺度析出相表征。

分析非等温热处理
DSC曲线显示三组合金均出现六个相似吸热峰，证实Ni/Sc添加不改变析出相类型，但显著改变其转化动力学。特别值得注意的是，Ni-Sc共掺使θ′→θ相变温度区间拓宽15℃，表现出独特的相变迟滞效应。

计算模型
通过AJM方程Y=1?exp[?(kt)ⁿ
]定量分析发现：Ni-Sc共掺合金中θ′相形核激活能降低23%，而生长指数n值提高至1.8，表明Sc的引入创造了更多异质形核位点。

结论

1. Ni-Sc协同作用通过抑制GP区(GP zones)形成，使θ′相数密度在Al-Cu-Mn-Zr-0.2Ni-0.1Sc合金达到峰值，较基础合金提升40%；
2. TEM揭示θ′相晶格参数发生显著畸变，a轴收缩0.12?而c轴膨胀0.08?，这种各向异性应变是强度提升的关键；
3. 建立的σ_y
   =2.35HV+25.7关系式（σ_y
   为屈服强度，HV为维氏硬度）为工程应用提供快速性能预测工具。

该研究首次阐明Ni-Sc复合添加通过"低温抑制团簇-高温稳定θ′"的双重机制优化析出行为，所构建的TTT曲线为开发新型耐热铝合金指明成分设计方向。特别是Sc元素对θ′相晶格参数的调控效应，为突破传统Al-Cu合金强度-耐热性倒置关系提供了全新思路。