近日，湖南大学和海南大学的研究团队在铝合金材料研究领域取得重要突破。研究成果发表在国际期刊 Journal of Materials Science & Technology 上，题为 “A secondary high-temperature precursor of the θ′-phase in Al-Cu-(Sc) alloys” （DOI: 10.1016/j.jmst.2024.05.067），第一作者为湖南大学博士生鄢俊，通讯作者为湖南大学教授伍翠兰、海南大学教授明文全和陈江华。

1. 背景介绍

在现代工业中，Al-Cu合金因其优异的力学性能和轻质特性而被广泛应用于航空航天、汽车制造等领域。然而，尽管这些合金已有悠久的历史，其内部的相变机制仍有很多未解之谜。特别是θ′相的形成机制，这一关键的强化相，其形成途径自1938年以来虽已为人所知，但其具体的形成机制至今仍未完全理解。随着科技的进步，对这些基础问题的深入研究变得尤为重要，以期在材料科学领域取得新的突破。

2. 主要内容与亮点

该研究利用先进的电子显微镜成像技术，揭示了一种新的θ′相高温析出路径。研究发现，在未变形的Al-Cu合金中，通过一种名为θ′_S-HTP的第二类高温前驱相，可以在高温(≥250℃)下形成非常细小的θ′相。此外，通过添加Sc元素进行微合金化，可以显著提高亚稳态θ′_S-HTP相的存活率，并使形成的θ′相更加细小，从而大幅度提升合金的强度和热稳定性。研究还发现，θ′_S-HTP相可以在不改变其形态和取向关系的情况下，通过遗传相变的方式直接转变为θ′相。我们的研究为理解工业应用铝合金的组织与性能之间的联系提供了新的思路。

图1a展示了Al-Cu-(Sc)合金在250℃、300℃时效的硬化曲线。此时，Al-Cu合金已经失去时效强化效果，其过时效硬度甚至低于淬火态。然而，Al-Cu-Sc合金在250°C、300°C的硬度平台仍分别维持在96HV、85HV左右。因此，Sc微量添加明显提高了Al-Cu合金的高温抗软化能力。通过对比两种合金在250°C/200h时效后的工程应力-应变曲线（图1b）可知，含Sc合金的屈服强度、抗拉强度均高于Al-Cu合金，即再次验证了Sc添加增强Al-Cu合金的高温热稳定性。

图1  Al-Cu-(Sc)合金经250℃和300℃时效的硬度及拉伸性能

图2和图3分别展示了Al-Cu-(Sc)合金在250℃和300℃时效早期的典型微观组织。在高温时效早期，两种合金中除了形成常见的θ′_HTP相和θ′相外，还存在大量细小的θ′_S-HTP相(白色箭头所示)。需指出的是，Al-Cu合金中的θ′_S-HTP相已全部转化为2个单胞厚的θ′相(黄色箭头所示)，而在含Sc合金中上述相转变过程被明显推迟。

图2  Al-Cu-(Sc)合金经250℃时效0.5h的HAADF-STEM像

图3  Al-Cu-(Sc)合金经300℃时效5min的HAADF-STEM像

图4为θ′_S-HTP/θ′相的HAADF-STEM高分辨像，其证实了Al-Cu-(Sc)块体合金在高温时效形成的θ′_S-HTP相可以直接转变为θ′相。在相转变初期(I阶段)，θ′_S-HTP相中的两相邻Al原子层沿[001]_Al和[00-1]_Al方向互相移动0.10~0.25Å以形成Cu原子扩散通道(0.2~0.5Å)。随后，θ′_S-HTP相中的Cu原子(尤其是共格界面处的间隙Cu原子)会迁移至原子扩散通道，逐渐形成相转变过渡结构(II阶段)。最终，过渡结构中的Al-Cu-Al原子层(粉红色阴影区域)沿[100]_Al方向平移a/2(a为Al基体的晶格常数)，即直接转变为两个单胞厚的θ′相。

图4 θ′_S-HTP→ θ′相转变的HAADF-STEM高分辨像

图5的统计结果表明，Sc添加可以提高θ′_S-HTP相的高温存活率，以至于进一步细化θ′相的尺寸并稳定其径厚比，从而提升合金的高温热稳定性。

图5  Al-Cu-(Sc)合金在250°C和300°C时效期间第二类强化相的变化规律

3. 总结和展望

该研究通过原子分辨率的HAADF-STEM成像技术揭示了Al-Cu-(Sc)合金中主要强化相θ′的第二类高温前驱相及其析出转变规律。这一研究结果可为耐热Al-Cu合金的微结构设计提供新的见解。