中南大学 | 热稳定纳米析出相助力增材制造Al-Fe-Cr-Sc-Zr合金400℃长期热暴露后室温强度保持

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近日，中南大学研究团队在金属材料领域期刊Acta Materialia发表了题为“Strength retention induced by thermally stable nanoprecipitates in an additively manufactured Al-Fe-Cr-Sc-Zr alloy after long-term exposure at 400 °C”的研究论文。中南大学王悦婷为论文第一作者，李瑞迪和甘科夫为通讯作者。

该工作针对增材制造耐热铝合金在长期高温服役过程中易发生析出相粗化和强度衰减的问题，系统研究了PBF-LB成形Al-Fe-Cr-Sc-Zr合金在400 ℃长期热暴露后的组织演变及室温强度保持机制。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2026.122741

图1 论文Graphical Abstract

01研究背景

增材制造为复杂轻量化耐热铝合金构件的制备提供了新的技术路径。然而，对于长期服役构件而言，仅具有较高的瞬时高温强度并不足够。材料在经历数十甚至数百小时高温暴露后，能否在冷却至室温后仍保持足够的力学性能，同样直接关系到构件的服役可靠性。

尤其在300–400℃温度区间，析出相粗化、亚结构回复以及晶粒长大等过程往往会削弱材料的强化效果。因此，如何稳定纳米析出相并延缓高温组织退化，是增材制造耐热铝合金进一步提高服役温度和寿命的关键。

本研究选取PBF-LB成形的Al-2.5Fe-2Cr-0.6Sc-0.3Zr合金，结合SEM、EBSD、TEM/HAADF-STEM、APT、正电子湮没谱以及第一性原理计算，对其长期热暴露过程进行了多尺度研究。

02 400℃热暴露200h后仍保持较高强度

合金经325℃/4h热处理后，室温屈服强度和抗拉强度分别达到482MPa和524MPa。随着400℃热暴露时间延长，材料强度逐渐下降，但整体表现出较好的稳定性。

即使经过400℃/200h热暴露，其室温屈服强度仍达到281MPa，抗拉强度为348MPa，屈服强度保持率约为60%。与此同时，在200℃热暴露过程中材料几乎没有明显强度损失，而300℃短时间热暴露还可产生一定的二次强化效应。这一结果表明，该合金在经历较为严苛的长期高温暴露后，仍能保持较高的室温承载能力。

图2 Al-Fe-Cr-Sc-Zr合金热暴露后的力学性能稳定性（原论文Fig. 1）

03长期热暴露后，哪些组织仍然撑住了强度？

400℃长期热暴露并非没有引起组织退化。随着热暴露时间增加，快速凝固形成的亚结构逐渐回复，部分亚稳Fe富集相发生分解和粗化，原始Al₆Fe共晶结构逐渐向更加稳定的Al₁₃Fe₄转变。

但与此同时，合金中的一些热稳定结构得以保留下来甚至在热暴露过程中进一步形成。一方面，等轴晶—柱状晶双峰晶粒结构整体仍保持稳定，Al₁₃(Fe,Cr)₂~₄等热稳定颗粒能够对晶界产生钉扎作用；另一方面，弥散的L1₂-Al₃(Sc,Zr)纳米析出相仍然可以提供有效的析出强化。论文认为，双峰晶粒、L1₂颗粒以及Fe/Cr富集相之间的协同作用，是长期热暴露后强度得以保持的重要基础。

04 “茧状”Sc/Zr修饰复合析出相

研究中较为值得关注的是，在经过400℃/200h热暴露后的等轴晶区域内观察到了一类尺寸仅为数十纳米的Sc/Zr修饰θ′复合析出相。

原子尺度表征显示，该复合析出相并不是简单的单一结构，而具有明显的空间成分分区：中心区域主要由Fe富集的单斜Al₁₃Fe₄构成，两端为Cr富集的Al₄₅Cr₇，而Sc/Zr则优先分布于Fe富集区域与Al基体之间，并形成有序L1₂-Al₃(Sc,Zr)界面结构。

APT结果进一步显示，Sc/Zr在析出相周围形成类似包覆层的分布特征，使整个颗粒呈现出具有明显界面修饰特征的“茧状”复合结构。

图3 Sc/Zr修饰θ′复合析出相的原子尺度结构及界面元素分布（原论文Fig. 8）

图4 沿[100]Al轴获得的θ′沉淀物的HAADF-STEM图像（原论文Fig. 9）

第一性原理计算进一步表明，Al₃Sc在Al₁₃Fe₄/Al界面的形成能够降低界面能，而在本身较稳定的Al₄₅Cr₇/Al界面作用相对有限。这种界面能差异为实验中观察到的Sc选择性界面偏聚提供了能量学解释。

因此，Sc/Zr并非简单形成独立析出相，而是能够在特定界面处发挥稳定作用，降低界面迁移和溶质扩散速率，从而有助于抑制复合析出相进一步粗化。

图5 不同界面结构的形成能（原论文Fig. 13）

图6 Al13Fe4/Al和Al45Cr7/Al界面的原子构型以及特定位置Sc替代对形成能的影响。（原论文Fig. 14）

05初始缺陷到热稳定复合析出相

结合不同热暴露时间下的显微组织与正电子湮没结果，研究提出了Sc/Zr修饰θ′析出相可能的演化过程：

空位–溶质团簇→GP区→亚稳θ′结构→Sc/Zr修饰的稳定θ′复合析出相

随着热暴露进行，Sc/Zr逐渐由前驱结构内部向界面重新分配并形成L1₂包覆结构。正电子测试表明，长期热暴露过程中空位型缺陷持续减少，这与上述析出相演化过程相吻合。

图7 热暴露过程中θ′沉淀物的形成和生长。（原论文Fig. 15）

06总结

该研究表明，增材制造耐热铝合金在长期高温环境下的强度保持，并非依赖单一强化相，而是来源于双峰晶粒结构、热稳定L1₂纳米析出相、Fe/Cr富集金属间化合物以及热暴露过程中形成的Sc/Zr修饰θ′复合析出相之间的协同稳定作用。

其中，Sc/Zr在特定析出相界面的选择性偏聚，为抑制高温扩散和析出相粗化提供了一种值得关注的组织稳定化机制，也为面向200–400℃长期服役环境的增材制造耐热铝合金成分与界面设计提供了新的思路。

图8 Al-Fe-Cr-Sc-Zr合金总体强度保持机制示意图（原论文Fig. 10）

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