论文阅读第八期：一种新的Al-Ce合金体系

第一部分：Sc/Zr的加入对富铈相的改变

图1. 不同Sc/Zr含量的Al-15Ce合金的截面照片：

（a）0Sc-0Zr；（b）0.13Sc-0.06Zr；

（c）0.23Sc-0.10Zr；（d）0.49Sc-0.21Zr。

图1显示了四种合金断面宏观结构，均为等轴晶，是初生相和共晶相的混合物，且随着Sc/Zr含量的增加，合金晶系明显被细化。

图2. 不同Sc/Zr含量的Al-15Ce合金的SEM图像：

（a-c）0Sc-0Zr；（d-f）0.13Sc-0.06Zr；

（g-i）0.23Sc-0.10Zr；（j-l）0.49Sc-0.21Zr。

表2：标记图2中:不同点的EDS分析结果

由SEM图可知

①存在两种Al11Ce13相，初生相以及共晶相，且初生相的平均长度远大于共晶相。

②随着Sc/Zr总含量的增加，初生相在形态尺寸出现明显变化，共晶相也逐渐呈细纤维状。

③在高Sc/Zr含量的合金中，共晶相有呈球形趋势，且在0.23 SC-0.10Zr合金和0.49 SC-0.21 Zr合金中，共晶相和α-Al基体几乎已完全成球形。

④由表二Sc/Zr的原子比，得出合金形成了Al3（Sc, Zr）相。

问题来了：已有SEM结论，还需要做透射电镜 (TEM)吗？

答：有必要，TEM会在更微观的尺度下来进一步验证SEM结论，使论文更具有说服力！

图4

（a）TEM图像显示了0.23 Sc-0.16 Zr合金的初生相和共晶相；

（b）和（c）分别显示了（a）中绿色和蓝色圈出的区域的SAED图案；

（d）和（e）分别显示了（a）中A点和B点的EDS分析结果

图5

 (a, f) TEM图像和(b-e, g-j) Al11Ce3相的EDS面扫结果：

(a-e) 0.10 Sc-0.06 Zr合金中的原生Al11Ce3相；

(f-j) 0.10 Sc-0.06 Zr合金的共晶Al11Ce3相。

由TEM结果可知

① 存在两种形态不一的富铈相，一种几十微米的粗长块状，另一种几微米的球状，经选区电子衍射(SAED)和EDS分析，确定为Al11Ce3相，其中粗长块状为初生Al11Ce3相，球状相为共晶Al11Ce3相，与SEM结果保存一致；

② 发现Sc、Zr在α-Al与Al11Ce3相界面处富集，若是SEM能谱的话，不一定能检测到这一现象。

第二部分：Al3(Sc,Zr)沉淀硬化作用对合金热稳定性的影响

图8. 不同Sc/Zr添加量的Al-15Ce合金在高温下热暴露后的显微硬度。

(a) 300 ℃; (b) 400℃。为了进行比较，

选择了商业的ZL205和ZL101合金来评估在300℃和400℃的热稳定性。

图8 体现的主要就是一个目的：高含量Sc/Zr的合金能有效提高合金的显微硬度，主要是由于Al11Ce3相的稳定性和富含Sc/Zr相的沉淀硬化作用。

问题来了：富含Sc/Zr相如何表征？

答：用透射电镜（TEM）最为合适不过了，一方面可通过选区电子衍射来确认物相，另一方面可通过明暗场来观察富含Sc/Zr相的形态尺寸。

图9. TEM图像显示了0.23Sc-0.16Zr合金中的Al3（Sc，Zr）沉淀

（a）Al3（Sc，Zr）沉淀的形态；

（b）（a）中A点标记的Al3（Sc，Zr）沉淀的HRTEM图像；

（c）（b）中方形区域的HRTEM图像和相应的FFT图像；

(d) (a)中被包围的区域的EDS结果。

图10.  0.23 Sc-0.16 Zr合金在高温下热暴露后的TEM

（a，b）明场和（c，d）暗场图像。(a, c) 300℃5小时；

(b, d) 400℃ 20小时。(e)和(f)分别是A点和B点的EDS结果。

由TEM结果可知

① 存在球状Al3(Sc，Zr)相，通过高分辨快速傅里叶变化（FFT）来确认，球状与之前SEM结论一致

② 存在高密度数量的Al3(Sc，Zr)相，且随着暴露时间尺寸会变大