南京工业大学丁立鹏副教授《MSEA》:耐热Al-Cu合金中多重强化机制的协同激活

图3. 四种实验合金铸态下的背散射电子扫描图像。(a) S1合金, (b) S2合金, (c) S3合金, (d) S4合金。

图5. 四种固溶处理态合金中弥散相的背散射电子图像：(a) S1合金, (b) S2合金, (c) S3合金, (d) S4合金。

图6. 四种固溶处理态合金中第二相的背散射电子图像及相应的能谱分析图谱：(a) S1合金, (b) S2合金, (c) S3合金, (d) S4合金。图中用红色箭头标记的颗粒用于能谱点分析。

图7. 四种固溶处理态合金中弥散相的高角环形暗场扫描透射电子显微镜图像。(a, e) S1合金, (b, f) S2合金, (c, g) S3合金, (d, h) S4合金。(e, f, g, h) 分别为对应弥散相的放大STEM图像。

图8. 分别在S1、S4、S2和S3合金中形成的TMn、AlCuNi、Al₃Zr和Al₃(Sc, Zr)弥散相的高角环形暗场扫描透射电子显微镜图像及相应的能量色散X射线图谱。(a)、(b)、(c)和(d)分别对应S1、S4、S2和S3合金中的弥散相。

图10. (a) 四种合金在190 °C人工时效过程中的硬度演化曲线；(b) 四种峰值时效合金在300 °C热暴露过程中的硬度演化曲线；(c) 四种合金在峰值时效期间的硬度增量；(d) 四种合金在热暴露期间的硬度下降值。

图11. 四种合金在峰值时效态和热暴露态（300 °C保温100小时）下的高角环形暗场扫描透射电子显微镜图像。(a-d) 峰值时效时在无沉淀带中形成的θ'析出相；(a1-d1) 峰值时效时在沉淀带中形成的θ'析出相；(e-h) 300 °C热暴露后在无沉淀带中形成的θ'析出相；(e1-h1) 300 °C热暴露后在沉淀带中形成的θ'析出相。

图12. 不同时效条件下形成的θ'析出相的尺寸分布图。(a-d) 峰值时效时无沉淀带中的θ'析出相；(a1-d1) 峰值时效时沉淀带中的θ'析出相；(e-h) 300 °C热暴露后无沉淀带中的θ'析出相；(e1-h1) 300 °C热暴露后沉淀带中的θ'析出相。

图15. 四种合金的拉伸真应力-真应变曲线：(a) 峰值时效；(b) 热暴露合金的室温拉伸测试；(c) 热暴露合金在300 °C下的拉伸测试。(a1-c1) 分别对应(a-c)的柱状统计图。

图17. 四种合金在不同热处理过程中第二相演变的示意图：(a-d) 固溶处理；(a1-d1) 峰值时效；(a2–d2) 热暴露（300 °C保温100小时）。

——结论——

探究了多种微合金化元素（Ni、Sc、Fe+Co）对Al-Cu-Mn-Zr-V合金第二相演变及高温性能的影响，旨在提升合金的高温服役能力。主要研究结果总结如下：

(1)在Al-Cu-Mn-Zr-V合金中添加Ni可促进共晶γ-Al₇Cu₄Ni和δ-Al₃CuNi相的形成。由于消耗了Cu原子，这些相会降低合金的峰值时效硬度；然而，经热暴露后，合金的室温和高温强度却显著提升，这归因于两个因素：（i）高稳定性的共晶含Ni相能够钉扎晶界，削弱其对高温性能的不利影响；（ii）Ni与Mn的共偏聚细化了θ'相的直径。

(2)复合添加Ni和Sc的Al-Cu-Mn-Zr-V合金被设计用来整合三种不同的强化相：（i）沿晶界分布的微米级共晶含Ni相，（ii）晶粒内部的纳米级Al₃(Sc,Zr)相和TMn相，（iii）Mn、Ni、V、Sc在θ'/Al界面的偏聚，这增强了纳米级θ'相在热暴露过程中的抗粗化能力。这三种强化机制的协同激活，使得该合金在300 °C热暴露100小时后，于300 °C下仍具有206.5 MPa的优异高温强度。

(3)在Al-Cu-Mn-Zr-V合金中复合添加Fe和Co，在四种铸态合金中带来的性能提升有限。Fe和Co的添加可以融入共晶含Ni相中，增加其面积分数和热稳定性。然而，含Ni相体积的增加可能会降低固溶处理过程中Al₃Zr相的密度，这对合金的热稳定性是不利的。总体而言，提高θ'相的热稳定性对于增强高温强度的效果，比促进微米级共晶初生相的形成更为有效。