摘要：本研究采用挤压铸造工艺与双级热处理技术，制备出一种添加Sc、Zr、V、Er的多元微合金化Al–12Si–4.5Cu–2Ni合金。该合金在室温与高温条件下均表现出优异的力学强度，在350℃时仍可保持143.8 MPa的平均抗拉强度。纳米级L1₂-Al₃M相（M=Sc、Zr、Er）析出相及细化的金属间化合物（Al₃Ni、Al₇Cu₄Ni、Al₈Cu₄Sc），通过晶内强化与晶界钉扎的协同作用实现了双重强化效果。时效处理促使合金中形成致密的GP区与θ''/θ'析出相，而Sc、Zr、Er元素的溶质拖拽效应可有效抑制这类析出相的粗化。热力学模拟与透射电子显微镜（TEM）分析结果表明，该合金存在异步析出行为：尽管镁元素的扩散速率更快，但θ'相（Al₂Cu）的形成时间仍早于β''相（Mg₂Si）。第一性原理计算显示，Mg₂Si的缺陷形成能（11.27 eV）远高于Al₂Cu（1.42 eV），这一结果证实了Mg₂Si相的形核延迟特性与更高的热稳定性。与传统合金相比，该多元微合金化合金中θ'与β''析出相的粗化速率显著降低，分别降至1.62×10^-27 m/s与2.9×10^-28 m/s。本研究证实，多元微合金化结合定制化热处理工艺，可诱导Al-Si-Cu-Ni合金产生异步析出行为，进而提升其高温性能。

背景：铝合金凭借低密度、高强度及优异的热处理工艺性，被广泛应用于汽车、航空航天、交通运输及结构工程领域。为实现轻量化并提升能源利用效率，具备优良铸造性能与流动性的铝硅合金，已被大量应用于发动机系统及其零部件的制造，例如活塞、气缸盖和进气歧管等。基于此，铝硅合金需在长期服役于200℃以上的高温环境时，仍保持稳定的力学性能与结构完整性。然而，铝硅合金的高温应用仍受限于以下问题：长期受热会导致合金显著软化、晶界性能劣化及析出相粗化。传统铝硅铜合金的强化机制以θ'（Al₂Cu）相和θ''相析出强化为主，但这类亚稳相的热稳定性较差，同时晶界对变形与开裂的抵抗能力有限，导致合金在长期高温作用下力学性能快速衰减。因此，提升第二相稳定性并维持持续的析出强化效果，已成为耐热铝合金研发领域的关键研究方向。

为进一步突破上述局限，可向铝合金基体中引入扩散速率缓慢的合金元素。该方法能有效调控纳米级析出相的析出行为，提升强化相的热稳定性。部分过渡族与稀土元素（如Zr、Sc、Ti、V、Nb、Hf、Yb和Er）可与铝原子结合形成L1₂型纳米析出相，这类元素因能提升铝合金的高温强度与热稳定性，已引起学界的广泛关注。微合金化元素不仅可促进Al₃Sc、Al₃Zr等具有L1₂结构的热稳定纳米析出相形成，还能有效调控其他强化相的析出动力学与空间分布，进而实现合金高温力学性能的多尺度协同增强。

已有研究表明，微合金化元素可通过不同机制提升合金力学性能，包括形成L1₂结构析出相或诱导界面偏聚。研究报道显示，Mn和Zr、Fe和Sc，以及Mn、V、Zr和Sc等微合金化元素搭配，可诱导元素在Al/θ'相界面择优偏聚，有助于提升θ'析出相的稳定性。锰锆复合添加可形成Al₇Cu₂Mn、Al₃Zr等稳定的晶界析出相，有效缓解晶界空穴化现象，使铝铜合金在300℃下的抗蠕变性能与高温稳定性显著提升。单独添加Sc和Er等稀土元素无法使铝合金在300℃下保持持续强化效果，但将其与过渡族元素协同添加时，可促进更稳定的析出相形成并增强界面强化作用，从而弥补这一缺陷。钪锆复合合金化能显著提升铝合金的再结晶稳定性，大幅改善合金的屈服强度与抗疲劳性能。Xu等人的研究证实，向铝镁硅合金中添加钪锆元素，会对β''析出相的数密度、尺寸及分布产生显著影响。Makineni等人发现，铌锆复合添加可促进Al₃Zr相形成，该相可作为θ''析出相的形核核心，进而增强析出强化效果并提升合金高温力学性能。综上，通过策略性添加慢扩散微合金化元素，可实现对析出行为与界面稳定性的精准调控，为Al-Si-Cu-Ni合金获得热稳定的协同强化效果与优异耐高温性能提供有效技术路径。

本研究以相图计算为指导，向铝硅铜镍合金中复合添加Sc、Zr、V和Er四种微合金化元素，设计出Al-12Si-4.5Cu-2Ni合金。对该挤压铸造合金进行固溶及时效处理，以调控其微观组织与第二相演变，重点研究热稳定L1₂相、θ'/θ''/GP 区及β''相的演化规律及其协同强化效应。此外，本研究借助相图计算与第一性原理模拟，揭示微合金化元素对Al₂Cu与Mg₂Si异步析出行为的影响机制。

该项研究成果以“Microalloying-driven asynchronous precipitation for elevated-temperature strengthening in Al–Si–Cu–Ni alloy”为题，在线发表于国际材料期刊《Journal of Materials Science & Technology》。哈尔滨工业大学姜巨福教授、王迎教授为该论文通讯作者。该研究工作获得国家自然科学基金（U2241232、U2341253、52375317）、国家重点研发计划（2022YFB3404204）以及金属精密热加工国家级重点实验室基金（6142909230203）的经费支持。

文章链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1005030226000472?via%3Dihub

图1 ZVES合金的力学性能和相图计算成分设计。

（a）RT和HT的机械性能；（b）350℃下机械性能比较；

（c）0–0.4 wt.% Sc的垂直截面相图；（d）平衡凝固相图；（e）DSC曲线。

图2 挤压铸造ZVES合金的TEM分析。

（a）位错和L1₂的TEM明场（BF）显微照片；（b）L1₂相的HR-TEM图像；

（c）L1₂相位的IFFT图像；（d）L1₂相的SAED图；

（e,f）Al基体中的孪生和堆垛层错特征；（g）孪晶+堆垛层错的HR-TEM图像；（h,i）堆垛层错的IFFT和SAED图像；（j,k）双胞胎的IFFT和SAED图像；

（l）共晶Si的TEM-BF图像和Al₂Cu的暗场TEM图像；

（m）堆垛层错和孪晶的HR-TEM图像。

图3 ZVES合金在510℃×8 h固溶处理后的TEM表征。

（a,f）Al₃Zr-L1₂的图像；（b–e）Al₃Zr-L1₂相的形貌和元素图；

（g）球形Al₃Zr-L1₂相的HR-TEM图像；（h）球形Al₃Zr-L1₂的IFFT图像；

（i）球形Al₃Zr-L1₂与基体界面的IFFT图像；

（j）椭圆形Al₃Zr-L1₂的HR-TEM图像；

（k）椭圆形Al₃Zr-L1₂内部微观结构的IFFT图像；

（l）椭圆形Al₃Zr-L1₂与基体界面的IFFT图像；（m）Al₃Zr-L1₂的IFFT图像。

图4 ZVES合金经185℃×6 h时效处理后的透射电子显微镜（TEM）表征结果

（a）BF-TEM图像；（b）元素面分布图；

（c）GP区与θ'/θ''相的明场透射电子显微镜图像；

（d）沿Al基体[001]晶带轴的选区电子衍射（SAED）花样；

（e–g）GP区与θ'/θ''相的HR-TEM图像、IFFT图像及选区电子衍射图像；

（h）针状θ'相的IFFT图像

图5异步析出行为的透射电子显微镜（TEM）表征、热力学及第一性原理分析结果。

（a）BF-TEM图像；（b）θ'相及β''相的STEM图像；

（c）图（b）对应的元素分布图；（d）β''析出相的HRTEM图像；

（e）β''析出相的FFT图谱；（f）β''析出相的IFFT图谱；

（g）θ'析出相的HRTEM图像；（h）θ'析出相的FFT图谱；

（i）θ'析出相的IFFT图谱；（j）平衡相图；（k）图（j）的局部放大区域；

（l）铒、钪掺杂Al₂Cu相的第一性原理模型；

（m）铒、钪掺杂Mg₂Si相的第一性原理模型.

结论：

（1）该合金在时效过程中表现出独特的异步析出行为：得益于慢扩散元素的扩散阻滞作用，GP区、θ''相及θ'相可长期共存。

（2）在350℃高温拉伸条件下，该合金的抗拉强度仍可达143.8 MPa，显著优于传统铝合金。其高温性能的提升源于纳米级析出相强化、晶界钉扎及位错协调作用的协同效应，同时伴随延展性的适度下降。

（3）与β''相（缺陷形成能为11.27 eV）相比，θ'相的缺陷形成能更低（1.42 eV），因此其形核更早、更易发生粗化，这与热力学预测结果一致；复合微合金化可显著降低θ'相及β''相的粗化速率，进而提升二者的高温稳定性。