南昌航空大学杨伟等:快冷+深冷协同调控Al-Mg-Sc-Zr合金析出,硬度提升超50%

导读

Sc、Zr微合金化是铝合金高性能化的重要途径，其形成的L12型Al3(Sc,Zr)相与基体共格度高、抗粗化能力强，可同时实现晶粒细化与析出强化。传统铸造工艺冷速低，凝固过程中会析出粗大的初生Al3(Sc,Zr)相，浪费合金元素且强化效果有限。非平衡凝固可大幅提高溶质固溶度，为后续时效析出储备充足驱动力；而深冷处理可通过晶格畸变增殖位错与空位，为析出相提供更多形核位点，二者协同有望实现更优异的析出强化效果。

由南昌航空大学轻合金加工科学与技术国防重点学科实验室吴岳翰硕士研究生撰写，杨伟教授担任通讯作者的研究论文《时效热处理对Al-4.7Mg-0.7Sc-0.3Zr合金非平衡凝固及深冷组织影响》，发表于《特种铸造及有色合金》2026年第46卷第6期。研究采用铜模喷铸制备快冷合金，经液氮深冷处理后进行300 ℃等温时效，系统对比了不同工艺下的微观组织与硬度变化，揭示了快冷与深冷协同促进析出的作用机制。

本研究构建了“非平衡固溶-深冷诱缺-时效析出”的全流程强化方案，充分挖掘了Sc、Zr元素的强化潜力。研究证实铜模快冷可完全抑制粗大初生Al3(Sc,Zr)相形成，获得元素均匀分布的过饱和固溶体；深冷处理可诱导大量位错与亚晶形成，显著加快时效析出速率。经300 ℃×35 min时效后，快冷+深冷合金显微硬度达到120.99 HV，较时效前提升50.9%，强化效果显著优于单一快冷工艺。

1冷速与深冷处理的组织效应

普通铸态合金中存在大量尺寸约20 μm的粗大Al3(Sc,Zr)颗粒，形貌呈方块状、十字状，分布于晶粒内部，是凝固过程中优先析出的初生相。

经铜模快冷后，粗大的Al3(Sc,Zr)颗粒完全消失，元素面扫描显示Sc、Zr、Mg等元素均匀分布，无明显成分偏析。这是由于快冷大幅提高了溶质元素的固溶度，熔体在初生相析出前就已完成凝固，获得了高过饱和度的单相固溶体，为后续时效析出提供了充足的相变驱动力。

快冷合金经液氮深冷32 h后，晶界变得清晰，晶界处出现不连续层片状析出；透射电镜观察显示，合金中位错密度显著提升，形成位错网格与位错胞结构，并出现尺寸约500 nm的亚晶粒。这是深冷过程中体积收缩引发晶格畸变、内应力升高，进而诱导位错增殖与亚晶形成的结果，但此时基体中尚未析出Al3(Sc,Zr)沉淀相。

2 时效处理下的析出行为

300 ℃时效35 min后，快冷合金基体中开始发生连续析出，出现均匀分布的Al3(Sc,Zr)纳米相；而快冷+深冷合金中析出相数量更多、密度更高，最大尺寸约10 nm，析出速率明显更快。这是因为深冷产生的高密度位错为析出相提供了大量优先形核位点，同时晶格畸变能降低了形核势垒，共同促进了连续析出过程。

当时效时间延长至120 min，快冷+深冷合金晶界处的不连续析出进一步加剧，形成大量层片状Al3(Sc,Zr)相；基体中的连续析出相长大至平均8 nm，与基体保持良好的共格位向关系。该析出相具有典型的核壳结构，Zr置换部分Sc原子，可有效提高高温抗粗化能力。

3 显微硬度演变规律

未时效状态下，快冷合金硬度为79.86 HV，深冷处理后仅小幅提升至80.17 HV，说明单纯位错增殖对硬度的贡献有限。

经300 ℃×35 min时效后，两组合金硬度均大幅提升：快冷合金硬度达108.77 HV，较时效前提升36.1%；快冷+深冷合金硬度达120.99 HV，较时效前提升50.9%，强化优势显著。这源于深冷促进析出带来的共格强化效应。

当时效延长至120 min，合金硬度有所下降，主要原因是晶界不连续析出大量形成，同时析出相发生粗化，共格强化效果减弱。

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1. 铸态Al-4.73Mg-0.71Sc-0.33Zr合金中存在大量粗大初生Al3(Sc,Zr)相；铜模快冷可有效抑制该相形成，获得无明显偏析的高过饱和固溶组织。

2. 深冷处理使快冷合金发生显著位错增殖并形成亚晶结构，同时晶界出现不连续层片状析出，为后续时效提供了更多形核位点。

3. 300 ℃时效过程中，深冷处理可显著加快Al3(Sc,Zr)相的析出速率；时效35 min时强化效果最佳，快冷+深冷合金硬度达120.99 HV，较时效前提升50.9%；时效时间过长则因析出相粗化与晶界不连续析出导致硬度下降。

中文：吴岳翰，杨伟，叶捍，等. 时效热处理对Al-4.7Mg-0.7Sc-0.3Zr合金非平衡凝固及深冷组织影响［J］. 特种铸造及有色合金，2026，46（6）：928-932.

英文：WU Y H，YANG W，YE H，et al. Effects of aging treatment on cryogenic microstructure of non-equilibrium solidified Al-4.73Mg-0.71Sc-0.33Zr alloy［J］. Special Casting & Nonferrous Alloys，2026，46（6）：928-932.

扩展阅读：欢迎登陆www.special-cast.com，阅读、下载、引用《特种铸造及有色合金》期刊上发表的论文。