在铸造的耐热Al-Cu-Ce-Mn-Sc-Zr合金中，多种晶内沉淀物与晶间共晶结构的共同强化作用

《Materials Science and Engineering: A》：The combined strengthening of multiple intragranular precipitates and intergranular eutectic structure in a cast heat-resistant Al-Cu-Ce-Mn-Sc-Zr alloy

Al-8.5Cu-2Ce-0.5Mn-0.3Sc-0.3Zr合金通过调控Al8CeCu4微米级析出相、L12-Al3(Sc,Zr)纳米析出相与θ"/θ' plates协同强化，实现300℃下210MPa和400℃下114MPa的高温强度，较三元合金提升27%和76%。

　　这项研究聚焦于一种新型的铸造耐热铝合金的开发，其目标是通过集成三种不同的强化相，提高材料在高温下的性能。这种合金的化学成分设计为Al-8.5Cu-2Ce-0.5Mn-0.3Sc-0.3Zr（按重量百分比计），通过结合微米级的Al?CeCu?金属间化合物、θ'板和L1?-Al?(Sc,Zr)纳米析出相，实现材料在高温环境下的结构稳定性和强度提升。研究采用光学显微镜（OM）、X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）结合电子背散射衍射（EBSD）和能谱分析（EDS）以及透射电子显微镜（TEM）等手段对材料的微观结构进行了系统分析，识别了其中的各个相。此外，通过拉伸试验和硬度测试评估了该合金在室温和高温下的力学性能。

铝合金因其优异的强度与重量比，在轻量化工程中一直扮演着重要角色。近年来，随着航空航天和交通运输等领域对“提高速度”和“减轻重量”的需求不断增长，对具有高温强度的铝合金的需求也变得尤为迫切。传统高强铝合金在高温下表现不佳，主要原因是纳米级析出相（对强度至关重要）容易粗化或溶解，从而导致力学性能的显著下降。这种局限性使得它们的应用范围主要局限于低温环境（低于约200°C），无法满足现代工业对服务温度在300～400°C之间的需求。因此，开发能够保持高温强度的新型高性能耐热铝合金成为当前研究的热点。

在现有研究中，设计高强、抗粗化的铝合金通常采用多种强化机制。其中一种方式是通过时效处理形成高密度的纳米析出相。这些析出相包括：（i）稳定的Al?Sc/Al?Er或不稳定的Al?(Zr,Sc,Er) L1?有序析出相，由Sc、Zr、Er等元素形成；（ii）α相强化合金中的弥散相，例如微米级的Al(Mn,Fe)Si和Al?M相；（iii）沉淀强化Al-Cu（2xxx系列）合金中的不稳态相，如θ'/θ''板，这些相在时效过程中起到主要的强化作用。另一种方式是通过共晶固溶化形成高体积分数的第二相，以实现复合强化，主要包括共晶Al-Ce和Al-Ni合金。此外，还有一种方法是利用低扩散系数的溶质（如Mn原子）进行固溶强化，这种强化机制对位错攀移具有很强的抵抗作用。

然而，无论采用哪种强化相来实现高温强度，都需要依赖于低扩散性和低溶解度的合金元素。这些元素可以减缓纳米析出相或第二相的粗化速率，延缓合金强度的退化。例如，当人工时效形成的θ'（Al?Cu）析出相暴露在高于200°C的温度下时，它们会迅速粗化并转变为平衡态的θ相，从而导致其体积分数下降，无法提供有效的强化作用，导致力学性能的急剧下降。为此，许多研究致力于在200～300°C温度范围内提高这些合金的高温性能，包括延缓θ'/θ''相的粗化速率以及在α-Al基体中引入额外的热稳定析出相。

研究表明，Mn在θ'板的半相干界面处的偏聚作用比在相干界面处更为显著，而Zr则在相干与半相干界面之间的角落处偏聚。这种偏聚作用有助于稳定纳米析出相，通过降低界面能和抑制溶质在界面处的扩散，使析出相在350°C温度下热暴露200小时后仍能保持稳定。此外，Sc和Ta在θ'板/α-Al界面处的偏聚作用也增强了这些板的稳定性，使其在200°C温度下保持热稳定性长达1000小时，并将潜在服务温度提升至300°C。然而，当温度超过350°C时，这种界面溶质偏聚作用的效果会减弱。

除了稳定的θ'板，纳米级L1?有序析出相在300～400°C温度范围内也表现出较强的粗化抵抗能力，这主要归因于Ti、Ta和Zr在α-Al晶粒中的低扩散性和固溶度。此外，L1?形成元素在θ'板界面处的偏聚作用可以延缓θ'板的粗化。因此，将Sc、Zr、Ta或Hf添加到Al-Cu合金中，形成θ'/L1?共析出结构，可以提高材料在200～300°C范围内的高温强度，为开发高性能耐热铝合金提供支持。这些纳米级L1?有序析出相还通过异质成核加速θ''/θ'相的析出过程。然而，尽管这些合金在强度方面表现出色，但形成这种抗粗化纳米析出相的合金元素在Al基体中的固溶度有限，传统铸造工艺中缓慢的冷却速率进一步限制了其在基体中的过饱和，导致L1?有序析出相的体积分数通常低于0.3%。因此，这些L1?有序析出相对整体强度的贡献仍低于成熟的商业铝合金，阻碍了它们在强度方面与商业产品竞争的能力。此外，Sc、Ta和Hf的成本较高，这也限制了其广泛应用。

相比之下，通过共晶固溶化形成的Al??Ce?或Al?Ni金属间化合物的体积分数较高。尽管这些共晶板通常具有较粗的亚微米级宽度，但它们表现出较强的抗粗化和球化能力。即使在300～400°C温度下热暴露长达2000小时后，其室温硬度仅略有下降。这种稳定性主要归因于Ce和Ni在Al基体中的极低溶解度和扩散性。然而，由于缺乏纳米析出相，二元共晶Al-Ce和Al-Ni合金的室温强度相对较低。为此，许多研究采用将高体积分数的金属间化合物与低体积分数的L1?有序析出相相结合的策略，以提高这些合金的力学性能。例如，研究表明，在含有Sc和Zr的Al-Ce和Al-Ni合金中，Al?(Sc,Zr)纳米析出相可以在共晶区域或α-Al相中析出，与共晶相协同作用，增强硬度和蠕变强度：L1?纳米析出相提供沉淀强化，而微米级的金属间化合物板则提供载荷传递强化。尽管这些合金表现出良好的抗粗化和抗蠕变能力，但它们的室温和高温拉伸强度仍未能满足工业需求。

本研究在上述策略的基础上，进一步探索了将θ'板和L1?纳米析出相引入Al-Ce合金的可能性。这种设计可能带来一种新的铸造耐热铝合金，该合金在室温和高温下均表现出优异的强度。研究重点分析了两种合金的微观结构和力学性能：（i）一种为Al-8.5Cu-2Ce合金，结合了金属间微板和θ'/θ''板；（ii）另一种为Al-8.5Cu-2Ce-0.5Mn-0.3Sc-0.3Zr合金，进一步引入了L1?-Al?(Sc,Zr)纳米析出相。微量Mn的添加旨在加速和增强时效硬化，显著提高θ'析出相的稳定性，或在热暴露过程中促进热稳定T-Al??Cu?Mn?相的再析出。研究聚焦于合金在铸造、时效和热暴露状态下的微观结构与力学性能，特别关注这三种强化机制之间的相互作用，同时强调高温拉伸性能和时效过程中硬度的变化，为工业应用提供了更大的潜力。

材料的制备采用99.9%纯度的Al和99.9%纯度的Cu，以及含有特定成分的主合金：Al-30%Ce、Al-10%Mn、Al-2%Sc、Al-10%Zr（按重量百分比计）。除非另有说明，所有百分比均指重量百分比。两种合金分别被简称为Al-Cu-Ce和Al-Cu-Ce-Mn-Sc-Zr。在铸造过程中，Mn不作为成核剂促进等轴晶的形成，因此Sc和Zr的添加使得α-Al晶粒从Al-Cu-Ce合金中的枝晶或胞状结构转变为Al-Cu-Ce-Mn-Sc-Zr合金中的等轴结构。同时，α-Al相的平均晶粒尺寸从Al-Cu-Ce合金中的约875 μm被细化。这种晶粒细化不仅有助于提高材料的强度，还增强了其高温性能，因为较小的晶粒尺寸可以有效阻碍位错的运动，提高材料的塑性变形能力。

在铸造态合金中，晶界处的共晶区域形成了一种网状结构，由Al?Cu（θ）相和层状Al?CeCu?金属间化合物相组成。这种结构的形成归因于共晶反应的热力学特性，以及合金元素在基体中的分布。例如，Ujjval Bansal等人在研究二元Al-Cu合金的强化机制时发现，添加Ta和Zr可以显著提高其热稳定性，这主要归因于这些元素在共晶区域的偏聚作用。这种偏聚作用可以降低界面能，抑制溶质在界面处的扩散，从而提高材料在高温下的性能。此外，Ce的添加不仅有助于形成稳定的共晶相，还通过降低其在Al基体中的扩散性和溶解度，增强了共晶相的稳定性。这种稳定性使得共晶相在高温环境下仍能保持其结构特征，从而提高材料的高温强度。

通过结合三种强化机制，即微米级金属间化合物、θ'板和L1?纳米析出相，该合金在高温下的性能得到了显著提升。这种设计不仅提高了材料的强度，还增强了其在高温环境下的结构稳定性。研究发现，这种合金在300°C时的抗拉强度达到210 MPa，而在400°C时的抗拉强度为114 MPa，分别比相应的三元Al-8.5Cu-2Ce合金提高了27%和76%。三元Al-8.5Cu-2Ce合金的Cu含量相对于Al-4.5Cu有所增加，以补偿因金属间化合物形成而导致的Cu消耗。然而，这种合金的强度仍显著高于含有单一或双强化相的报道合金。这种增强效果主要归因于两个因素：（i）在晶界处形成的（半）连续Al?CeCu?金属间化合物网络能够有效抵抗晶界滑动；（ii）热稳定的晶内L1?-Al?(Sc,Zr)有序纳米析出相和高密度的θ''/θ'板能够限制高温下的位错运动。这些机制的协同作用使得材料在高温环境下仍能保持较高的强度。

此外，Mn、Sc和Zr的添加显著增强了共晶相和θ'板在长期高温暴露下的稳定性。这种增强效果主要归因于以下两个方面：（i）Ce、Mn、Sc和Zr在θ'板界面处的协同偏聚作用可以提高其年龄硬化动力学和热稳定性，这种偏聚作用通过在L1?-Al?(Sc,Zr)纳米析出相上的异质成核得到优化；（ii）Sc和Zr在Al?CeCu?金属间化合物中的偏聚作用能够抑制溶质的扩散，提高相的稳定性。这种偏聚作用不仅有助于形成稳定的析出相，还通过降低界面能，增强材料的热稳定性。因此，该合金在高温下的性能得到了显著提升，有望成为未来工业应用中的高性能耐热铝合金。

本研究的成果为开发具有优异高温强度的铸造铝合金提供了有价值的微观结构设计模板。通过合理设计合金元素的添加比例和分布方式，可以有效实现多种强化机制的协同作用，从而提高材料的高温性能。这种设计不仅考虑了合金在高温下的结构稳定性，还关注了其在室温下的强度表现。通过结合微米级金属间化合物、θ'板和L1?纳米析出相，该合金在高温下表现出更高的强度和更好的稳定性，这为工业应用提供了新的可能性。此外，该研究还揭示了不同合金元素在材料性能提升中的作用机制，为未来的材料设计提供了理论支持和实践指导。