作者：张磊
Al-Cu系铸造铝合金，因其具有较高的强度、好的塑性、耐高温性、易切削加工和性价比高等优点，成为高强铸造铝合金研究方向之一。其中新型211Z.1铸造铝合金以普通铝替代高纯铝为基体材料，通过独特的合金成分设计、优化热处理工艺制度，实现了2112.1铝合金高强、高韧、高硬、高温的优点，在汽车、航空、航天等领域有广泛的应用前景。前期针对2112.1铸造铝合金相转、高温力学性能、疲劳特性、组织性能等方面进行了研究，但对该合金微观组织结构方面的探讨还不够深入。本课题通过对新型211Z.1耐热高强韧铸造铝合金热处理后微观组织结构的研究，探讨其物相的析出行为和对铝合金性能的影响。
1 试验材料制备和测试
试验所采用的211Z.1合金的主要成分（质量分数，下同）为：4. 0%～7.5%的Cu，0.2%～0.6%的Mn,0.1%～0.2%的Ti,0.1%～0.4%的Cr,0.1%～0. 3%的Cd，0.1% No．2%的RE，余量为Al。在RJJ-井式电阻坩埚炉中进行熔炼，加入精炼剂精炼后，在720--740oC浇入金属型铸造出拉伸试样，金属型温度为290～310 oC。拉伸试样热处理工艺：(545±5)℃×16 h固溶，40～50oC水淬，152℃X12 h时效。采用CMT5105型万能材料试验机进行拉伸试验。选取力性能较好的（σh一515 MPa.8=6.1%）试样，在O—LYMPUSGX41金相显微镜上进行金相观察；用FEIQuanta 3D FEGSEM和Tecnai G2 F20 TEM等设备对试样的显微结构和微区的成分进行测试分析。
2 试验结果与分析
2.1 弥散分布的T相
图1是211Z.1铝合金热处理后的金相组织。试样中晶粒尺寸较均匀，形状规则，晶界平滑，晶界相交处未出现大块共晶相，且在α基体中分布着弥散细小的质点。
图2为211Z.1铝合金的STEM照片和能谱图（观察方向为[O01]AI）。由图2可见，晶内存在棒状的颗粒，颗粒的长度在600 nm左右，直径为80 nm左右。棒状颗粒主要沿3个垂直方向生长，即沿Al基体的[001]方向生长。EDS分析发现Al、Cu、Mn的摩尔比为20：2：3，与T-Al20Cu2Mn3相较为符合。弥散分布在α固溶体中的T相，能改善合金的屈服强度和高温性能，T相质点越细小，分布越均匀，对合金的强化效果越突出，性能越好。
2.2 附着在T相上生长的 '相
图3是211Z.1铝合金组织内HAADF-STEM图像。可以看出棒状T相的周围附有形状不规则的尺寸为100 nm左右的细小颗粒，见图3中白色箭头。对棒状相和附着相进行EDS分析（结果见图3和表1），发现棒状相主要成分为Al、Cu、Mn，根据摩尔含量配比应该为T-Al20Cu2Mn3相，而附着相跟T相相比，Mn的含量降低，Cu的含量增加，推断为Al2 Cu相。
图4为从沿T相轴方向观察的STEM图像，可以看出T相周围确实附着有一些颗粒，且这些析出相长度方向与Al基体的[100]A1取向相同，见图4a中箭头所指。从图4b可知，这些附着的颗粒为臼相。出现该现象的原因是由于在生长的过程中T相颗粒与周围的Al基体的晶格点阵不匹配产生了很大的应力场，导致'析出相等很容易在应力场处形核长大。
2.3 α-AI基体中弥散分布的片状析出相。
图5是211Z.1铝合金的微观结构分布。从图5可以看出，晶体内部分布最多的是细小析出相，分为片状和球状两种。片状颗粒长度方向与Al基体的[100]A1取向相同。
在图5中观察到的尺寸较小的片状析出相和团簇，是在时效过程中形成的。2系铝合金经固溶、淬火后时效热处理的强化效果显著。固溶处理最大限度地使合金元素（主要是Cu.Mg）溶入铝基体中，形成过饱和固溶体，在人工时效过程中，合金中的过饱和溶质原子和空位扩散、脱溶，形成纳米级析出强化相（如原子团簇、GP区、相等。由于这些析出相及其引起的应力应变场阻碍位错的运动，使得合金的硬度、强度等力学性能大大提高。
图6为沿[100A1取向的STEM图。从图6中可以更清晰地看到这些细小析出相的形貌特征。小球状析出相的直径为2 nm左右，而片状析出相有两种，较大的片状析出相厚度为1～3 nm，长度为40～150 nm，较小的片状析出相厚度为1～2 nm，尺寸为10 N30 nm。总体来说球状析出相和较大的片状析出相在基体中分布比较均匀，且数量很多，而较小的片状相则大多分布在晶界和粗大的第二相附近。电子衍射花样（见图7）可以确定有''相和'相共同存在，还可以看出这些析出相与基体之间存在共格关系。
2系铝合金经固溶、淬火后时效热处理强化效果显著。固溶处理最大限度地使合金元素（主要是Cu、Mg）溶入铝基体中，形成过饱和固溶体。在时效过程中，合金中的过饱和溶质原子和空位扩散、脱溶，形成纳米级析出强化相，目前在这些合金中主要的析出相及其析出序列普遍被认为是：SSSS→GP I→GPⅡ（或''相）一'相→平衡相。
2.4 a-AI基体中弥散分布的球状析出相
2112.1铝合金弥散球状相分布随机，没有规律性，尺寸约为2 nm（见图8a和图8b）。从[100]A1和[110]A1两个取向下的高倍STEM像可以确定，球状相与Al基体在结构上完全共格，只存在成分上的不同。对球状相做面扫描和EDS分析（见图9），发现弥散球状相中含
有Cd元素，但Cd元素的摩尔分数尚未确定，因球状析出相太小，EDS谱中包含有大量Al基体的信息。
魏晓伟等在研究ZL201A铝合金时，对铝合金中加Cd后的力学性能、微观组织以及Cd在合金中存在形式等一系列问题进行了系统研究。合金中固溶的Cd与Cu形成Cu-Cd空位群，部分未溶的Cd或含有Cd的析出相起到时效核心作用，能降低析出相与母相的界面能。添加适量的Cd会使铝合金的强化作用增强，原因是由于''相和'相的配比改变，尺寸、间距减小、数目增多，对位错运动的阻碍更为复杂。
3 结 论
(1) 211Z.1铝合金中存在的主要微观组织：GPI区、''_Al3 Cu相及'Al2 Cn3相，这3种物相都是片状，为尺寸小于100 nm的细小析出相。
(2)晶体内部弥散分布直径约为80 nm、长度约为600 nm的棒状T-Al20 Cu2 Mn3相，T相与铝基体沿棒轴方向[010]共格，T相周围附着有尺寸较大的'相。
(3)基体中还存在大量尺寸为2 nm左右的球状颗粒的合Cd相，与基体完全共格。
4摘要
利用金相显微镜、球差校正扫描透射电镜、透射电镜( TEM)、电子背散射衍射分析技术(EBSD)和X射线能谱(EDS)等分析方法，对新型耐热高强韧铸造铝合金(211Z.1)热处理后的微观组织结构进行了研究。结果发现，211Z.1铝合金微观组织由尺寸小于100 nm的GPI区、''-Al2Cu相及'-Al2Cu相组成。晶体内部弥散分布直径约为80 nm、长度约为600 nm的棒状T-Al20Cu2 Mn3相，T相周围附着尺寸较大的日7相。基体中还存在尺寸在2 nm左右的球状颗粒状Cd相，与基体完全共格。
