近期，南京工业大学贾志宏教授研究团队在国际高水平学术期刊《Journal of Materials Science & Technology》发表了题目为“Branched” structural transformation of the L12-Al3Zr phase manipulated by Cu substitution/segregation in the Al-Cu-Zr alloy system的研究论文。论文第一作者为南京工业大学先进轻质高性能材料研究中心丁立鹏副教授，南京工业大学先进轻质高性能材料研究中心贾志宏教授为通讯作者。

论文链接https://doi.org/10.1016/j.jmst.2023.11.015

在材料科学领域，铝合金因其优异的性能被广泛应用于航空航天、汽车制造、电子电器等行业。其中，Al-Cu-Zr合金因其独特的性能备受关注。该合金中L1₂-Al₃Zr相作为一种重要的析出相，对合金的强度、硬度等性能有着重要影响。然而，L1₂-Al₃Zr相在高温下易发生结构转变，从而影响合金的性能稳定性。

因此，为了探索L1₂-Al₃Zr相在加热过程中的结构演变，该研究采用Al-5.0Cu-0.2Zr(wt.%)合金在500℃下进行不同时间的固溶处理，随后快速冷却至室温。采用高角环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）及能量色散X射线光谱（EDX），并结合第一性原理密度泛函理论（DFT）计算，系统研究了Cu掺杂对Al-Cu-Zr合金中L1₂-Al₃Zr相结构转变的影响。

图1 具有单个APB的L1₂-Al₃Zr粒子和“透镜”形状的D0₂₃-Al₃Zr粒子

图2在500℃固溶处理20 h后的L1₂-Al₃Zr颗粒和与APB平面相邻平面中Cu原子的偏析

在500℃下固溶处理20小时后，合金中形成了大量球形或椭球形的L1₂-Al₃Zr相，均匀分布在铝基体中。EDX分析表明，L1₂-Al₃Zr相中Cu的含量约为13%，表明Cu在L1₂-Al₃Zr相中部分替代了Al原子。Cu的掺杂使得L1₂-Al₃Zr相的晶格参数略有减小，从而降低了与铝基体的晶格失配度，有利于提高合金的热稳定性。

图3 在500℃固溶处理125h后形成的板状Al4CuZr颗粒

图4 在500°C固溶处理125 h后形成含有D0₂₃和Al4CuZr板状相

随着固溶处理时间的延长，L1₂-Al₃Zr相开始发生结构转变。在125小时的固溶处理后，部分L1₂-Al₃Zr转变为D0₂₃相，同时观察到一种新的四方相Al4CuZr的形成。Cu在这一过程中起到了关键作用。一方面，Cu被APB排斥，促进了L1₂-Al₃Zr向D0₂₃相的转变；另一方面，Cu在APB附近富集，形成Cu层，进而促进了Al4CuZr相的形成。这一现象表明，Cu掺杂使L1₂-Al₃Zr相出现了不同的结构转变路径，即在不同的条件下，L1₂-Al₃Zr相可能向不同的相转变。

图5 在500°C下长期加热300 h后形成的弥散相和相应的EDX

Al4CuZr相的形成与Cu在APB的富集密切相关。当APB的形成速度较慢时，Cu有足够的时间在APB附近重新分布，从而在APB附近形成Cu层。这些Cu层在周期性排列后，形成了新的四方相Al4CuZr。Al4CuZr相的形成不仅改变了L1₂-Al₃Zr相的结构，还对合金的性能产生了重要影响。与D0₂₃相相比，Al4CuZr相与铝基体的界面更为共格，有利于提高合金的强度和韧性。

图6 用DFT计算L1₂-Al₃-xCuxZr

通过DFT计算得到，Cu掺杂会降低L1₂-Al₃Zr相的形成能，从而提高其稳定性。当Cu含量达到一定值时，L1₂-Al₃Zr相的形成能最低，表明此时L1₂-Al₃Zr相最为稳定。此外，Cu掺杂还会增加APB的能量势垒，使得L1₂-Al₃Zr相向D0₂₃相的转变更加困难，进一步提高了L1₂-Al₃Zr相的热稳定性。计算结果表明，Cu在APB附近的行为取决于APB的形成速度。当APB形成速度较快时，Cu会被APB排斥，从而在APB附近形成Cu贫乏区，促进L1₂-Al₃Zr向D0₂₃相的转变。而当APB形成速度较慢时，Cu可以在APB附近重新分布，形成Cu层，进而促进Al4CuZr相的形成。这一结果与实验观察到的现象一致，进一步证实了Cu在L1₂-Al₃Zr相结构转变中的重要作用。

图7 在500℃下的Al-Cu-Zr相图及L1₂-Al₃-xCuxZr、D0₂₃-Al₃Zr 和Al4CuZr相的DFT计算结果

综上，作者通过实验和理论计算相结合的方法，系统研究了Cu掺杂对Al-Cu-Zr合金中L1₂-Al₃Zr相结构转变的影响。结果表明Cu掺杂会改变L1₂-Al₃Zr相的结构稳定性，使其在高温下发生结构转变的路径发生“分叉”。一方面，Cu被APB排斥，促进L1₂-Al₃Zr向D0₂₃相的转变；另一方面，Cu在APB附近富集，形成Cu层，进而促进Al4CuZr相的形成。这一发现为优化Al-Cu-Zr合金的性能提供了新的思路，即通过控制Cu的掺杂量和热处理工艺，可以调控L1₂-Al₃Zr相的结构转变路径，从而获得具有优异性能的合金，为Al-Cu-Zr合金的设计和应用提供更为全面的理论依据。

该研究得到了国家重点研究发展计划项目(2020YFA0405900)、国家自然科学基金项目(52371111和U2141215)、江苏省自然科学基金项目(BE2022159)的资助，特别感谢南京工业大学高性能计算中心对计算资源的支持。