導讀：在鋁銅（Al-Cu）合金中添加少量Zr和Ta，研究了多步熱處理強化相的演變及其在250℃長時間熱暴露后的穩(wěn)定性。在 Al 基體中形成 L12 有序 (Al,Cu)₃(Zr,Ta) 沉淀物，然后在 L1₂/基體界面上優(yōu)先成核富 Cu θ"/θ' 板。透射電子顯微鏡和原子探針斷層掃描研究確定了時效合金中 θ' 板/基體上 Zr 和 Ta 的偏析。結(jié)果表明，Zr 在 θ' 板的相干寬界面處偏析，并抑制這些界面的生長。Ta 的偏析主要發(fā)生在沿著 Zr 沿延長方向（半相格界面）生長 θ' 板界面，并限制板的延長。受限的生長會觸發(fā)板邊緣較新板的交感成核，以維持生長過程。屈服強度 ～由于有序析出物的存在和θ'板的生長限制，在室溫下達到475 MPa，慢擴散元素（Zr和Ta）的偏析也增強了微觀結(jié)構(gòu)的熱穩(wěn)定性。

  沉淀強化鋁銅（Al-Cu，2xxx系列）合金自發(fā)現(xiàn)以來已廣泛用于航空航天和汽車行業(yè)。許多聚合物復合材料現(xiàn)在都在競爭用于現(xiàn)代飛機。然而，Al-Cu合金對于飛機蒙皮，機身，機翼，軍用貨物中的支撐結(jié)構(gòu)等部件具有一定的優(yōu)勢。Al-Cu合金具有時效硬化等許多優(yōu)點，比強度高，成本低，延展性好。然而，θ'板在200°C以上快速粗化并轉(zhuǎn)化為θ相會導致強度急劇增加，導致組件在使用壽命期間失效。

  與促進L12階沉淀物的過渡元素的Al合金引起了相當大的興趣。在這些過渡元素中，鈧（Sc）和鋯（Zr）在開發(fā)用于高溫下的高強度和熱穩(wěn)定鋁合金方面顯示出極好的潛力。盡管L12有序的Al3Sc相具有出色的穩(wěn)定性，但Sc價格昂貴，但Sc并未引起航空航天和汽車行業(yè)的太多關(guān)注。

  然而，Zr 已廣泛用于商業(yè)鋁基合金中作為晶粒細化劑以實現(xiàn)高強度。添加Zr可提高再結(jié)晶溫度，對鋁合金的韌性和抗應力腐蝕性能具有良好的效果。此外，Zr在α-Al基體中的緩慢擴散可以提高合金的熱穩(wěn)定性。L12 有序亞穩(wěn) Al3Zr 相的沉淀取決于 Zr 濃度、過飽和度、熱處理途徑和成核位點（包括位錯或亞晶界）的存在。這些元素在較低溫度下在鋁基體中的低固溶度在化學上推動了老化過程中亞穩(wěn)態(tài)相的形成。然而，傳統(tǒng)鑄造路線限制了鋁基體在較高溫度下的過飽和度，從而控制了析出物的體積分數(shù)。

  合金的快速凝固可以實現(xiàn)更高程度的過飽和度。盡管過飽和度很高，但在 400-500 °C 的時效過程中仍觀察到不連續(xù)的沉淀。因此，人們嘗試通過添加 Nb、Ti 和 V 等過渡元素來穩(wěn)定 Al3Zr（L12 有序）相。在 Al-0.15 at% Zr 合金中添加 0.1 at% Nb 可使 Al3Zr 析出物在 α-Al 基體中致密且均勻分布。在 Al-0.1 at% Zr 合金中添加 0.1 at% Ti 會產(chǎn)生 Al3(Zr1-xTix) 沉淀物。然而，產(chǎn)生這種抗粗化析出物的合金元素在基體中的溶解度有限，導致強化相的體積分數(shù)較低。因此，這些合金在強度方面無法與現(xiàn)有的商用鋁合金競爭。

  通過將過渡元素（Sc、Ti、V、Zr、Nb、Hf）微合金化到 Al-Cu 合金中，獲得了分級顯微組織。通過控制熱處理條件，顯微組織中L12有序析出物和θ'板共存，從而提高了高溫（200-300℃）下的強度。此外，這些緩慢擴散元素在 θ' 板界面處的偏析延遲了粗化，并極大地影響了高溫下的強度。在Al-Cu合金中添加Sc、Mn和Zr引起了人們的廣泛關(guān)注例如，Al-Cu-Mn-Zr 合金中的 Mn [43]、Al-Cu-Mg-Ag 合金中的 Sc、Al-Cu-Si-Hf 合金中的 Hf 以及 Al 中的 Zr -Si-Cu合金在高溫（> 200°C）下θ'板穩(wěn)定性顯著改善。最近的一項研究表明，相干壁架有助于 Ω 納米沉淀物中的原位相變，從而產(chǎn)生新的富 Sc V 相，該相在 400°C 下似乎穩(wěn)定。使用增材制造和原位表征方法等先進工具定制微觀結(jié)構(gòu)，可以了解 θ' 界面處的非平衡溶質(zhì)偏析和原位相變。在高溫退火（300-400°C）過程中，Mn 和 Zr 等元素在 θ' 板的相干界面處偏析，成為 θ' 到 θ 相變的動力學障礙。它有助于在高溫下保持強度。原位 TEM-APT 實驗表明，溶質(zhì)偏析在初始退火階段開始。

  本文旨在研究Ta作為潛在的微合金元素，以提高Al-Cu合金中L12-Al3Zr和θ'板的熱穩(wěn)定性。這兩種元素（Zr和Ta）都是Sc和Er的更便宜的替代品。Zr添加的想法是雙重的：作為晶粒細化劑和沉淀L12有序相。在過渡元素中，Ta對Al3Zr相的影響是未知的。遵循預先設(shè)計的熱處理路線來開發(fā)具有以下優(yōu)點的微觀結(jié)構(gòu)：兩種沉淀物（L12有序沉淀物和θ'板）的存在和板的緩慢粗化。本文使用TEM和APT研究詳細分析了多步熱處理條件后的微觀結(jié)構(gòu)演變。

（a） 鑄造Al-Cu-Zr-Ta合金高放大倍率下的背散射電子（BSE）顯微照片，（b）顯示晶粒分布的反極圖，以及（c）跨線Zr，Ta和Cu的WDS元素組成分布（陰影區(qū)域代表細胞間邊界）。

（a） Al-Cu-Zr-Ta鑄造合金在不同工期直接時效的Al-Cu-Zr-Ta鑄造合金的維氏顯微硬度值（VHN）的演變。具有代表性的中心暗場透射電鏡圖像來自`1`10超晶格斑揭示了（b）與細胞間區(qū)域?qū)�應的L12有序沉淀物耗盡的區(qū)域和（c）細胞內(nèi)密集且均勻的L12有序沉淀。（c）的插圖顯示了沿[001]Al區(qū)軸的SAD圖案，其超晶格斑對應于L12排序。（d） 直方圖顯示Al-Cu-Zr-Ta合金在400°C下老化10 h的析出物分布。發(fā)現(xiàn)沉淀物的平均直徑為8 nm。

（甲-二）沿 [100]Al 區(qū)軸的原子分辨率 HAADF-STEM 顯微照片顯示 L12 有序球形沉淀物。標記區(qū)域的 （b） 中的放大圖像。（c） 沿R1和R2的線強度分布。

（a） 在400°C老化10h后，在530°C下處理不同持續(xù)時間的Al-Cu-Zr-Ta合金溶液的維氏顯微硬度值（VHN）的演變。（b） 從以下位置獲得的中心暗場顯微照片101_Al區(qū)軸的超晶格斑點顯示了細胞內(nèi)沉淀物的致密均勻分布以及在細胞間區(qū)域形成L12有序沉淀物。（c）來自[010] Al區(qū)軸的HAADF-STEM圖像證實，溶液處理后有序沉淀物與基質(zhì)一致。（D-E）中心暗場顯微照片從`101位置獲得顯示各種類型的Al3Zr團簇的超晶格斑點出現(xiàn)在樹枝狀區(qū)域：（A）由10-15個顆粒組成的粗團簇，（B-C）環(huán)狀排列的團簇，（D-E）緊密間隔的粒子線性排列，（F-G）螺旋排列的粒子，以及（H-I）單排粒子。

固溶處理的鋁-銅-鋯-鉭和鋁-銅合金在190°C下的時效曲線。

Al-Cu-Zr-Ta峰時效合金（在190°C下時效10小時）。（a） 沿 [010] _Al 區(qū)軸的 SAD 圖，顯示存在對應于 L12 有序和 θ“/θ′ 相位的超晶格斑點， （b） 來自 （a） 中包圍的超晶格斑點的中心暗場 TEM 圖像，揭示了 α-Al 基質(zhì)中均勻分布的 L12 有序沉淀物和 θ”/θ′ 相的存在， （c） 中心明場 TEM 圖像顯示預先存在的 L12 有序沉淀物上的 θ“ 和 θ′ 相成核和 （d） 鋁的 STEM-EDS 元素圖， 銅、鋯和鉭。

銅鋯鉭峰時效合金。（a）和（b）沿[100]Al區(qū)軸觀察的原子分辨率HAADF STEM顯微照片，顯示θ“和θ'板在預先存在的相干L12有序球形沉淀物上的異質(zhì)成核。（c）θ“板的高放大倍率圖像，（d）θ”相的晶胞，（e）θ'板的高放大倍率圖像，（f）θ'相的晶胞，（g）和（h）θ“和θ'板中Cu的STEM-EDS組成

(a)θ′板長度、(b)θ′板厚度、(c)θ′′板長度和(d)θ′′板厚度的直方圖,Al-Cu-Zr-Ta合金峰值在190°C溫度下老化10小時。

（a） 從Al-Cu-Ta-Zr合金的APT運行中獲得的探測器事件直方圖，說明極點的存在。（b） 平面APT重建，顯示沿Al晶體學方向的原子平面。（c）從Al的{002}方向生成的空間分布圖。（d）在考慮軌跡和放大效應后重建的APT尖端。（e） 尖端的放大圖像，揭示板與 L12 沉淀物之間的相互作用。

（a） 銅鋯峰值老化樣品的APT重建。L12有序沉淀物由6 at% Zr等成分表面和富銅板由10 at%等組成表面以及Ta原子的分布（紅色）描繪。（b） 6 at% Zr 等值面的近似圖，（c） 橫跨 θ' 板的一維組成剖面圖，以及 （d） 顯示界面處銅、鉭和鋯分布的 θ' 板橫截面的二維輪廓圖。

銅鋯鉭峰時效合金。（a） θ' 板沉淀物的 HAADF-STEM 顯微照片。（b） （a）中整個區(qū)域的原子分辨率HAADF-STEM顯微照片用藍色虛線表示。（c） （b）中用紅色虛線標記的整個區(qū)域的量化強度圖像。（d）和（e）分別沿（c）中標出的黑線和紅線的線強度分布。

原子分辨率HAADF-STEM顯微照片顯示θ'板的尖端，沿Al-Cu-Zr-Ta峰時效合金的[110]Al區(qū)軸觀察。（a）紅色箭頭表示由交感神經(jīng)成核形成的現(xiàn)有板和新板之間的界面。插圖顯示了沿藍線和紅線的線強度分布，（b）在高放大倍率下，板尖處的晶體結(jié)構(gòu)重疊（銅橙色，鋁藍色，Zr-洋紅色和Ta-綠色），（c）θ'板具有更高的厚度。插圖顯示了沿黃線的線強度分布，以及 （d） 在高放大倍率下，板尖處有重疊的晶體結(jié)構(gòu)（銅橙色、鋁藍色、Zr-洋紅色和 Ta-綠色）。

沿 Al-Cu-Zr-Ta 峰時效合金的 [110]Al 區(qū)軸觀察的原子分辨率 HAADF-STEM 顯微照片。(a) 低放大倍數(shù)圖像顯示 θ' 板沿生長方向重復成核，(b) 在高放大倍數(shù)下，顯示板隨凸緣移動而增厚，(c) 和 (d) θ' 板沿生長方向延長重復成核。

 Al-Cu-Zr-Ta峰時效合金中θ'板的明場TEM顯微照片（沿[001]Al區(qū)軸觀察）在250°C下暴露（a）50小時，（b）100小時和（c）150小時（d）l3與t，（e）th3與t和（f）Al-Cu的平均長寬比與t圖[46]，以及Al-Cu-Zr-Ta峰時效合金暴露在250°C。（d）和（e）的插圖顯示了Al-Cu-Zr-Ta合金的l3和th3與t的變化。虛線顯示數(shù)據(jù)的線性擬合。

總之，產(chǎn)生多種長度尺度和成分的析出物的微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計策略使Al-2Cu-0.15Zr-0.12Ta合金具有改善的高溫性能。形成了 L12 有序 (Al,Cu)3(Zr,Ta) 沉淀物，作為沉淀富銅 θ' 和 θ" 板的位點。 θ′/θ″板的數(shù)密度得到提高，從而在室溫下具有高強度（屈服強度：475±6MPa）。使用原子分辨率電子顯微鏡檢查了 θ' 板的界面結(jié)構(gòu)和成分。HAADF-STEM 圖像與 APT 互補，顯示 Zr 原子在寬（相干）界面處的偏析以及 Ta 和 Zr 在生長尖端（半相干界面）處的混合偏析。由于Ta和Zr原子的低擴散，半共格界面在拉長方向上的生長受到限制，有利于θ'板的交感成核。這些會導致微觀結(jié)構(gòu)的整體熱穩(wěn)定性，影響高溫屈服強度（250°C 時為 257 ± 7 MPa）。