耐铁Al-Cu合金的高温应用：Ni添加与凝固组织对性能的协同作用机制研究

《Journal of Alloys and Compounds》：Fe-tolerant Al-Cu alloys for high-temperature applications: The synergistic role of Ni addition and solidification microstructure

　　

专业摘要翻译： 研究了四种定向凝固（DS）Al-Cu-Fe-(Ni)合金，以确定溶质含量、Ni添加及凝固条件对铸态组织和力学行为的综合影响。Ni添加细化了枝晶组织并改变了富Fe枝晶间析出相的形貌。较高的溶质含量增加了枝晶间相比例并改善了室温强度。Ni在350–450 °C温度范围内增强了强度保持率及强度-塑性平衡。研究结果表明，通过成分调控与凝固组织细化相结合，可显著提升耐铁Al-Cu合金的综合力学性能，尤其适用于高温服役条件。

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一、研究背景与问题

铝合金2000系列（Al-Cu合金）因具有较高的比强度和低密度，被广泛应用于航空航天和汽车工业。其强度主要来源于人工时效过程中析出的亚稳态θ''相（共格）和θ'相（半共格）沉淀硬化机制。然而，这类合金在高温服役条件下存在一个关键限制：当温度超过约200 °C时，θ''和θ'相会发生加速粗化并转变为平衡θ相（Al₂Cu），导致过时效和沉淀强化效果的显著降低。因此，传统Al-Cu合金难以满足300–450 °C温度区间内持续服役的需求，如内燃机活塞和涡轮部件等应用场景。

铁是商业铝合金中最常见的杂质元素，主要来源于电解还原和回收过程。在Al-Cu合金中，Fe通常促进富Fe金属间化合物（如Al₇Cu₂Fe）的形成，这些化合物可能呈现不利的形貌，并成为裂纹萌生的优先位置，从而降低塑性和韧性。然而，在受控的成分和凝固条件下，含Fe金属间化合物也可能对高温强度产生积极贡献。例如Al₁₃Fe₄相在高达约500 °C的温度下在基体中几乎不溶解，能够抵抗粗化，作为位错运动和晶粒生长的稳定障碍。

Ni添加到Al-Cu-Fe体系中可深刻改变相选择路径和金属间化合物组成。Ni可能促进Al₉FeNi的优先形成，取代Al₁₃Fe₄和Al₇Cu₂Fe，将热力学平衡向Al₉FeNi相的形成方向转移。该相据报道具有更紧凑的形貌和比无Ni Al-Cu合金中某些富Fe金属间化合物更高的热稳定性。通过Al₉FeNi的优先形成，Fe和Ni结合形成稳定的金属间化合物相，而Cu被释放回基体中，可能增加θ'和θ''的析出。

然而，以往许多研究涉及含Mg、Si、Mn等多元商业合金，难以单独分离Fe和Ni的具体作用。因此，在无Mg和Si的体系中，系统评估溶质水平、Ni添加和受控凝固细化对Al-Cu-Fe-Ni合金的综合影响仍缺乏系统研究。

二、研究内容与结论

研究人员对四种定向凝固Al-Cu-Fe-(Ni)合金进行了系统研究，包括Al–2.5Cu–0.6Fe、Al–2.5Cu–0.6Fe–0.5Ni、Al–5.0Cu–1.2Fe和Al–5.0Cu–1.2Fe–1.0Ni（wt.%）。所有试样均在铸态条件下评估，未进行后续热处理。

研究得出以下主要结论：提高溶质含量从Al–2.5Cu–0.6Fe到Al–5.0Cu–1.2Fe并添加Ni促进了定向凝固条件下的枝晶细化，Al–5.0Cu–1.2Fe–1Ni合金获得最小二次枝晶臂间距（λ₂）9.3 μm。Ni添加还改变了枝晶间析出相的形貌和组成。合金成分和枝晶尺度共同影响力学响应，高溶质合金表现出更高的显微硬度和拉伸强度，而较高冷却速率相关的细化提供了额外的力学抗力提升。Ni添加在高温下特别有益，Al–5.0Cu–1.2Fe–1Ni合金在350和450 °C下表现出改善的强度保持率和更有利的强度-塑性平衡，含Ni合金在450 °C下总伸长率超过30%。高溶质合金在铸态条件下室温质量指数（Q）接近400 MPa，展示了受控凝固细化和Ni添加在改善高Fe Al-Cu合金强度-塑性平衡方面的有效性。

三、关键技术与方法

研究人员采用了以下主要技术方法：合金制备采用感应熔炼炉熔炼，随后进行瞬态向上定向凝固（DS）工艺，通过水冷低碳钢底板实现热量优先从底部提取。凝固后铸锭纵向分为底部、中部和顶部三个区域，选取底部和中部区域进行表征。显微组织表征采用光学显微镜（OM）观察枝晶α-Al基体和枝晶间第二相分布，使用ImageJ软件通过线性截距法测量二次枝晶臂间距（λ₂）。力学性能测试包括维氏显微硬度测试（ASTM E92-23标准，载荷0.5 kgf）和单轴拉伸试验（ASTM E8/E8M-25标准，初始标称应变速率3×10^?3 s^?1），分别在25 °C、350 °C和450 °C温度下进行。断口形貌分析采用扫描电子显微镜（SEM）的二次电子（SE）和背散射电子（BSE）成像模式。

四、研究结果

1. 1.
   凝固组织特征

光学显微组织观察显示，所有合金均呈现枝晶α-Al基体被枝晶间第二相析出物包围的组织特征。底部区域由于较高的冷却速率（约3.2–5.2 °C/s）表现出比中部区域（0.8–1.1 °C/s）更细的枝晶组织。二次枝晶臂间距从Al–2.5Cu–0.6Fe的24.2 μm（中部）降至18.1 μm（底部），Al–2.5Cu–0.6Fe–0.5Ni从19.0降至15.5 μm，Al–5Cu–1.2Fe从13.9降至11.3 μm，Al–5Cu–1.2Fe–1Ni合金底部获得最细组织，λ₂均值9.3 μm。提高Cu和Fe总含量显著减小λ₂并增加枝晶间析出物比例，共晶比例从低溶质合金的约4.2–4.9%增加到高溶质合金的9.3–11.4%。Ni添加进一步细化了枝晶组织并在各成分族内略微增加了实验共晶比例。

1. 2.
   枝晶间析出相组成

高倍光学显微观察表明，溶质含量主要控制枝晶间析出物的比例和形貌复杂度：低溶质合金含有相对稀疏和孤立的颗粒，而高溶质合金表现出更粗大且更相互连接的析出物。先前表征表明，Al–5Cu–1.2Fe合金中存在θ-Al₂Cu、Al₁₃Fe₄和Al₇Cu₂Fe相，而Ni促进了Al₉FeNi的形成并抑制了Al–5Cu–1.2Fe–1Ni合金中的Al₁₃Fe₄，θ-Al₂Cu和Al₇Cu₂Fe仍然存在。低溶质合金中由于溶质可用性较低，相稳定性和体积分数预计显著降低。

1. 3.
   显微硬度

维氏显微硬度随λ₂^?1/2增加呈近似线性增加趋势，表明枝晶细化对局部力学抗力有积极贡献。底部区域试样通常表现出比中部区域更高的硬度。低溶质合金硬度约为49–60 HV_0.5，而Al–5Cu–1.2Fe基合金达到约63–76 HV_0.5。在两种溶质水平下，Ni添加均使硬度向更高值偏移，Al–5Cu–1.2Fe–1Ni合金在细化组织条件下表现出最高硬度。

1. 4.
   拉伸力学性能

工程应力-应变曲线显示，室温下底部区域试样（高冷却速率）一致表现出比中部区域更高的屈服强度和极限抗拉强度，这与细化二次枝晶臂间距和更细的枝晶间金属间化合物网络有关。提高测试温度导致所有合金的屈服强度、极限抗拉强度和应变硬化能力逐渐降低，归因于α-Al基体中位错迁移率增强和热激活回复过程。然而，微观结构细化的有益效应在整个温度范围内保持明显。Ni添加在减少高温强度损失方面有效，Al–5Cu–1.2Fe–1.0Ni合金在350 °C和450 °C下同时表现出更高的极限抗拉强度和更大的塑性应变。室温拉伸曲线出现Portevin–Le Chatelier（PLC）效应，表现为塑性变形期间的锯齿状流动，与动态应变时效（DSA）有关。

1. 5.
   质量指数分析

通过质量指数（Q = σ_u + d·Log(ε)，d = 150 MPa）评估强度-塑性平衡。室温下，本研究开发的定向凝固合金表现出优于大多数文献数据的强度-塑性组合。Al–5Cu–1.2Fe和Al–5Cu–1.2Fe–1.0Ni合金在无需固溶热处理的条件下室温拉伸接近Q = 400 MPa等值线。提高测试温度至350 °C和450 °C降低了质量指数，但含Ni合金比文献中无Ni对应合金保持更有利的强度-塑性平衡，特别是在350 °C下，证明了热稳定AlFeNi金属间化合物的有益作用。

1. 6.
   断口形貌分析

扫描电镜断口分析显示，所有合金总体呈现韧性断裂特征并伴有明显剪切变形。室温下断口具有更细更浅的韧窝，而高温（350 °C和450 °C）下形成更大更深的微孔，与更高的塑性和更大的截面缩减率一致。小尺寸金属间化合物颗粒（约5 μm以下）在韧窝内部可见，表明其作为微孔形核的优先位置。Al–5.0Cu–1.2Fe合金在350 °C和450 °C下断口形貌相似，表明该温度范围内断裂机制基本不受温度升高影响。Al–5.0Cu–1.2Fe–1.0Ni合金观察到更高比例的金属间化合物，韧窝相对细小，微孔形核优先发生在众多细小分散的金属间化合物颗粒周围。

五、讨论与结论

讨论部分指出，枝晶细化通过微观组织尺度对强度增量做出贡献，而提高Cu含量通过固溶强化和金属间化合物强化提升基线强度。Ni添加到Al-Cu-Fe合金中通过促进热稳定含Cu和Ni增强金属间化合物的形成，进一步改善力学性能，特别是在350和450 °C下。Al₉FeNi的早期形成抑制了Al₇Cu₄Ni，使Cu可用于含Cu相（如Al₇Cu₂Fe和Al₂Cu）的析出。总伸长率主要受合金成分而非枝晶细化影响，Ni添加促进更有利的强度-塑性平衡。研究还指出，较高冷却速率获得的更细枝晶组织可能通过减少扩散距离加速固溶处理期间的Cu均匀化，而Fe和Ni富集金属间化合物的高热稳定性可能限制其溶解并影响后续时效响应。

研究结论总结如下：提高溶质水平从Al–2.5Cu–0.6Fe到Al–5.0Cu–1.2Fe并添加Ni促进了定向凝固下的枝晶细化，Al–5.0Cu–1.2Fe–1Ni合金获得最小λ₂为9.3 μm，Ni添加还改变了枝晶间析出物的形貌和组成；合金成分和枝晶尺度共同影响力学响应，高溶质合金表现出更高的显微硬度和拉伸强度，较高冷却速率相关的细化提供了额外的力学抗力提升；Ni添加在高温下特别有益，Al–5.0Cu–1.2Fe–1Ni合金在350和450 °C下表现出改善的强度保持率和更有利的强度-塑性平衡，含Ni合金在450 °C下总伸长率超过30%；高溶质合金在铸态条件下室温Q值接近400 MPa，与Yang等人报道的Al–Cu–Mg–Fe–Ni合金铸态Q值（约357 MPa；UTS = 249 MPa，EL = 5.2%）相比更具竞争力，并接近Lin等人报道的T7热处理挤压铸造Al–Cu–Mn–Fe–Ni合金的性能（Q ≈ 410–427 MPa），突显了本研究在无需凝固后热处理条件下实现的竞争性力学性能。