在汽車應用中，對低密度、耐熱機器部件有著強勁的需求，這推動了高熱穩定性高强度鋁合金的開發。這對科學和科技都是新的挑戰，因為析出强化是傳統鋁合金中最常見的强化機制，而在鋁合金中出現的多數第二相是亞穩態的，在200℃時發生粗化甚至溶解。析出相粗化導致强度和結構完整性急劇下降，傳統可熱處理鋁合金的熱穩定性和蠕變抗力限制在180℃。囙此，開發兼具高熱穩定性和高强度的新型鋁合金十分重要。稀土和金屬元素的微合金化是提高Al合金效能的有效途徑。已有研究證實Al-Sc-Zr合金具有作為高熱穩定性/高强度材料的潜力，但由於Sc的成本高導致其應用受到限制。降低對Sc的依賴性，是打開Al-Sc-Zr合金應用潜力的一種途徑。稀土元素Er已經被證明是Al合金中一種有效的微合金元素，添加Er為開發高性價比的耐熱高强鋁合金提供了一種有效方法，但Er對等溫時效析出動力學影響的研究還不明確。
哈爾濱工業大學的研究人員探討了添加Er的Al-Sc-Zr合金等溫時效過程中析出相的演變與力學性能的關係，Er的加入顯著提高了高溫時效過程中的硬度，根據密度泛函理論（DFT）的第一性原理計算，評估了相應的强化機制和Er微合金化對析出過程的影響。相關論文以題為“Correlation between precipitates evolution and mechanical properties of Al-Sc-Zr alloy with Er additions”發表在Journal of Materials Science & Technology。
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https://doi.org/10.1016/j.jmst.2021.05.031
本研究中含Er成分為：Al-0.07Sc-0.2Zr-0.11Er；無Er成分為：Al-0.07Sc-0.2Zr（wt.%），相當於Al-0.04Sc-0.06Zr-0.018Er和Al-0.04Sc-0.06Zr（at.%）。熔鑄成直徑70mm、高度100mm的圓柱錠，在640℃下進行固溶處理24h（水淬），這種狀態稱為淬火態（AQ），固溶後在300或400℃下時效20min-200h不等（水淬）。
研究發現含Er的合金表現出明顯的時效硬化，在Al-Sc-Zr合金中加入Er可以顯著提高析出相的形核速率，從而增强Al-Sc-Zr合金的時效硬化響應。這主要是由於Er具有較高的空位結合能。在300℃時硬化反應迅速，最終峰值硬度略高，在400℃時反應加速，峰值硬度新增40%，這是由於形成了高密度分佈良好的共格Al3（Er，Sc，Zr）納米級析出相，其直徑小於5nm。在峰值硬度處，Orowan繞過機制是兩種合金的主要强化機理。
圖1Al-0.04Sc-0.06Zr合金在300℃時效（a）25h和（b）100h以及400℃時效（c）5h和（d）25h後的TEM圖
圖2 Al-0.04Sc-0.06Zr合金在300℃時效不同時間後的APT結果
圖3 Al-0.04Sc-0.06Zr-0.018Er合金在300℃時效不同時間（a-b）20min，（c-d）25h，（e-f）200h時的顯微組織圖
圖4 Al-0.04Sc-0.06Zr-0.018Er合金400℃時效不同時間的顯微組織圖
（a-b）20min，（c-d）25h和（e-f）200h
圖5在300℃時效後，Al-0.04Sc-0.06Zr-0.018Er合金的APT結果
圖6在400℃時效後，Al-0.04Sc-0.06Zr-0.018Er合金的APT結果
兩種合金中的析出相均表現出基於L12晶格結構和立方-立方取向關係的複雜構型。在無Er合金中，出現了核/殼結構，即Al3（Sc，Zr）析出，形成富Sc核和富Zr殼，這些析出相在初始是一致的，尺寸較小。在400℃時效25 h後，晶格共格性降低，析出相直徑粗化至20-40 nm。在含Er合金中，在300℃時形成了核殼結構，在400℃時出現了明顯的Al3（Er，Sc，Zr）析出相的核/雙殼結構，由富Er的核、富Sc的內殼和富Zr的外層組成。
本文系統地研究了無Er和含Er Al-Sc-Zr合金在相對較高的溫度（300℃和400℃）下等溫時效後的力學硬度和微觀組織演變，DFT計算有助於理順Al-Sc-Zr（-Er）合金中觀察到的析出相結構和形成機制。2NN溶質-溶質相互作用有利於所有溶質原子，這是促進L12結構析出相的關鍵特徵。無Er合金和含Er合金中核/殼析出相和核/雙殼析出相的形成順序與溶質-溶質相互作用和擴散有關：在2NN位點上，Er與空位的吸引作用最强，溶質-溶質相互作用最强，而Zr的溶質-空位相互作用最弱。本文揭示了Er對Al-Sc-Zr合金時效硬化行為的有益影響，並為Al-Sc-Zr（-Er）合金時效處理的設計提供了指導。
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