西安交大研究人员在铝合金热稳定化研究上取得重要进展

自从来自德国的Wilm博士在铝合金中首次发现时效析出强化现象，高强铝合金已经经历了一个多世纪的发展。同时时效析出强化也成为了一种重要的强韧化手段，广泛地应用于常见合金体系中。时效析出本质上属于溶质原子扩散控制的固态相变行为，而铝合金中置换型溶质原子扩散与空位迁移密切相关，因此经典时效析出理论认为过饱和空位起到了不可或缺的促进作用。空位的形成是热激活过程，过饱和空位的形成机制主要包括温度效应(如淬火)和变形效应(如冷变形)。通过严重塑性变形制备的超细晶或纳米晶铝合金，空位浓度与淬火的粗晶铝合金相比提高了1-2个数量级，显著加速了溶质原子向高能的大角晶界扩散并聚集，以降低体系总能量。当晶界的溶质浓度达到一定程度后，将很容易越过相变能垒，发生不可控的室温晶界析出，一方面抑制了具有强化效果的晶内析出，另一方面晶界粗大颗粒的存在极大降低了材料塑性。室温下溶质脱溶的热稳定性不足，以及晶内位错存储匮乏的塑性变形能力不足，成为了制约超细/纳米晶铝合金工程化应用的两大瓶颈问题。单纯从理论上考虑，空位浓度最小化是解决该瓶颈问题的可能途径，即在细化晶粒的同时尽量消除空位，将空位对溶质扩散的牵引力趋近于零。但是在实际应用中，消除空位几乎是无法实现的。

针对上述问题，西安交大金属材料强度国家重点实验室孙军院士团队提出了采用超高空位浓度来稳定纳米铝合金中溶质原子的新策略，不同于以往消除空位以稳定溶质原子的传统观点。他们基于强结合溶质原子-空位复合体的微观组织设计思想，通过在原子层次解析溶质原子-微合金化元素-空位之间的交互作用，借助第一性原理的计算模拟与分析，选用团队具有研究特色的Al-2.5wt.%Cu-0.3wt.%Sc合金作为模型材料，在液氮温度下采用高压扭转方法制备了纳米晶合金(简称AlCuSc-C)；同时归因于低温抑制热激活效应，以及Sc微合金化元素对空位的强力捕获作用，获得了超高浓度的空位(~0.2at.%)，与常规大变形制备的铝合金相比提高了近2个数量级。在如此高的空位浓度下，自发形成了具有极强结合力的、热力学上稳定的(空位-Cu-Sc-空位)原子复合体(如图1a和b所示)，均匀弥散而且稳定地分布在纳米晶晶粒内部，有效地阻止了Cu向晶界扩散、偏聚和析出。这种双空位与Cu和Sc原子形成的原子复合体显示出了极好的热稳定性，在230°C下时效50小时仍未发生分解，相应地在AlCuSc-C合金中未观察到晶内或晶界的第二相颗粒析出。AlCuSc-C合金突破了纳米晶铝合金原有组织/成分设计理念和常规制备方法的局限，克服了大变形与热稳定性之间的互斥关系(图1c)，实现了大变形纳米晶铝合金中的超高热稳定性，甚至比粗晶Al-2.5wt.%Cu合金更稳定。在显著改善热稳定性的同时，高密度的(Cu,Sc,空位)原子复合体还具有类似溶质原子团簇的强韧化机理，同步提升了AlCuSc-C合金的强度和塑性，室温拉伸屈服强度和均匀延伸率分别达到了~500MPa和~10%。超高浓度空位+微合金化的溶质原子稳定化策略，在科学层面上补充和拓展了空位促进时效析出的传统认知，在技术层面上同时解决了热稳定性差和室温塑性不足的瓶颈难题，有望推动纳米晶铝合金的工程化应用。

(a, b)纳米晶AlCuSc-C合金中(Cu,Sc,空位)原子复合体HAADF照片

(c) 本合金中热失稳温度(时效50h发生相分离的临界温度)与等效应变(代表晶粒尺寸大小)对应关系

及其与前人报道的粗晶和常规大变形超细晶、纳米晶铝合金相关数据之间的对比

该研究成果以《纳米晶铝合金溶质原子稳定化的高浓度空位策略》(Freezing solute atoms in nanograined aluminum alloys via high-density vacancies)为题日前发表于《自然通讯》(Nature Communications)上。西安交通大学青年教师吴生华博士为文章第一作者，刘刚教授和孙军院士为共同通讯作者。该工作的合作者还包括挪威科技大学李彦军教授和H. Roven教授，以及兰州大学彭勇教授。

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https://www.nature.com/articles/s41467-022-31222-6