可时效硬化的Al-Cu系合金作为一个代表性合金，可以用来了解第二相在合金中的析出行为。亚稳θ'-Al2Cu是Al-Cu系合金在人工时效时析出的主要强化相。升高温度后θ''析出相粗化，然后相变到平衡θ-Al2Cu相。在该粗化过程中，θ'析出相的长径比不断降低，一旦达到临界长径比，相变就趋于θ相。由于θ相的快速粗化而导致强度显着下降。Al-Cu合金中的θ'-θ相变在高于250℃的温度下容易发生。对θ'析出相时效行为的了解大多数来自于在250℃以下时效时的Al-Cu合金，长期暴露在高于250℃的温度下，Al-Cu合金微结构的强化机制尚不明确。美国橡树岭国家实验室的研究人员将时效后的Al-Cu-Mn-Zr（ACMZ）铸造合金暴露于300℃下长达5000小时（约208天），通过多种手段表征了显微组织变化，讨论了热暴露的微观结构中θ'析出相有关的耐粗化性、亚稳态平衡相分数和强化机理。相关论文以题为“Aging behavior and strengthening mechanisms of coarsening resistant metastable θ' precipitates in an Al-Cu alloy”发表在Materials and Design。https://doi.org/10.1016/j.matdes.2020.109378
ACMZ合金通过重力楔形铸造制备，实测成分为：Al-6.7Cu-0.45Mn-0.18Zr（wt%）。将铸态合金进行540℃×5h固溶处理（在80℃的水中淬火），固溶后进行240℃×5h时效（空冷），然后将时效后的合金热暴露于300℃，分别持续200h、2100h、5000h（空冷）。
图1 ACMZ合金在（a）时效条件下，在300℃下热暴露（b）200 h，（c）2100 h和（d）5000 h后的SEM图像，（e）显示时效和热暴露组织中α-Al晶粒尺寸的曲线图
图2 θ'相在（a）时效后，在300℃下热暴露（b）200 h，（c）2100 h和（d）5000 h后在晶粒内部析出的SEM图
图3 在（a）时效后，在300℃下热暴露（b）200 h，（c）2100 h和（d）5000 h后在晶粒内部析出的STEM图研究发现显微组织演变大部分都发生在晶粒内部。进行200小时热暴露时，这种初始演变是由于相稳定性随温度的变化而发生的。时效的微观结构在240℃下形成，长时间的热暴露在300℃下进行。温度从240℃升高到300℃降低了θ'相的热力学稳定性，从而导致相分数和θ'析出相的数量密度略有降低，导致硬度下降。
图4 （a）时效后的ACMZ合金在300℃下暴露5000 h的APT原子图，（b）为（a）中所示的θ'析出相横截面的Cu，Mn和Zr元素2D等高线图。（c）切出的θ'析出相示意图θ'析出相在300℃的热暴露期间的粗化速率几乎可以忽略，这归因于Al-θ'界面处的Mn和Zr偏析。除降低界面能以完全抑制5000h暴露期间的粗化的热力学效应外，还发现具有界面偏析的动力学效应。Orowan强化是θ'相的主要强化机理，但不足以解释合金的硬度变化，其余的强化可能归因于与θ'相形成相关的SFTS强化。总的来说，本研究对ACMZ合金进行了多尺度显微组织表征，首次阐明了在高于250℃环境下θ'析出相的粗化行为，亚稳态平衡相分数和强化机理，为后续ACMZ的研究提供了理论支撑。（文：破风）
