新型四元Al-Cu-Ca-Fe体系中铁元素的创新应用——设计沉淀硬化合金及替代2618型合金的潜力

为解决2xxx系列铝合金中Fe杂质导致机械性能下降的问题，研究人员通过热力学建模与实验技术，首次在Al-Cu-Ca-Fe体系中发现了立方结构Al26Cu6+xFeCa3相（a=8.37 ?），其密度3.61 g/cm3、显微硬度440 Hv。该研究为利用Fe设计沉淀硬化合金提供了新思路，可替代传统Al-Cu-Mg-Ni-Fe系2618型合金，并成功实现450℃热轧无缺陷板材制备，175℃时效后峰值硬度达130-135 Hv。

　　

在铝合金工业中，铁(Fe)一直被视为“双刃剑”——作为地壳中含量第四的元素，它广泛存在于再生铝原料中，却因形成脆性金属间化合物（如针状Al₇Cu₂Fe相）而显著降低2xxx系列高强铝合金的延展性。随着全球对可持续制造的需求激增，如何将Fe从“性能杀手”转化为“有益元素”成为材料科学家面临的重大挑战。莫斯科理工大学的研究团队独辟蹊径，将目光投向尚未被探索的四元Al-Cu-Ca-Fe体系，试图通过构建新型Fe-Ca-Cu金属间化合物来“驯服”这一顽劣元素。

研究团队采用热力学计算与实验验证相结合的策略，首次揭示了该体系中一个具有立方Pm3m结构（空间群cP49/2）的全新四元相Al₂₆Cu_6+xFeCa₃。这个晶格常数8.37 ?的严格化学计量相，犹如微观世界的“分子监狱”，将Fe原子牢牢固定在致密的晶体结构中，其3.61 g/cm³的密度和440 Hv的显微硬度远超传统Al₉FeNi相。通过构建相图关键区域，研究人员发现三个潜在的热处理合金设计窗口：(Al)+Al₂Cu+Al₂₆Cu_6+xFeCa₃准三元截面和两个四相区，这些区域通过共晶反应形成精细的共晶组织。

实验验证阶段，团队制备的Al5.5Cu0.3Ca0.3Fe合金展现出惊人的加工性能——尽管热撕裂敏感性（HTS>16 mm）较高，但在450℃热轧时竟奇迹般地避免了传统合金常见的边缘裂纹，成功获得2 mm光洁板材。透射电镜分析显示，175℃时效过程中，铝基体中析出纳米级片状θ'相（Al₂Cu），推动硬度峰值达到130-135 Hv，这一表现堪比商用2618合金。

关键技术方法包括：1）采用CALPHAD（CALculation of PHAse Diagrams）方法进行热力学建模；2）通过电阻炉熔炼制备模型合金；3）结合X射线衍射（XRD）和扫描电镜-能谱（SEM-EDS）进行相鉴定；4）使用铅笔探针法评估热撕裂敏感性；5）通过显微硬度测试和透射电镜（TEM）分析时效硬化行为。

【Materials and Methods】
研究选用99.99%高纯铝为基体，添加Al-15%Ca和Al-10%Fe中间合金精确控制成分，通过EDS确保成分准确性。

【Theoretical assessment of phase composition】
液态投影计算发现传统Al₄Ca和Al₃Fe相可能优先析出，但实验证实存在未被数据库收录的(Al,Cu)₄Ca、Al₂₇Ca₃Cu₇和Al₈CaCu₄等铜改性相。

【Proposed phase equilibria】
提出的相平衡模型包含(Al,Cu)₄Ca-Al₃(Fe,Cu)-Al₆(Fe,Cu)多相区，但Al₁₀CaFe₂相的存在需进一步验证。

【Summary】

1. Al₂₆Cu_6+xFeCa₃相的发现填补了四元体系空白；2. 相图设计窗口为开发耐Fe合金提供理论依据；3. 热轧实验证明该体系具备产业化潜力。

这项发表于《Journal of Alloys and Compounds》的研究，不仅为铝合金家族增添了新成员，更开创了“变废为宝”的材料设计范式。当全球冶金界苦于再生铝杂质问题时，俄罗斯科学家用Ca元素作“化学钥匙”，成功将Fe锁进性能优异的金属间化合物笼中。这种“以毒攻毒”的策略，或许将为循环经济时代的合金设计打开新纪元。