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编译服务: 中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心—领域情报网 编译者: 冯瑞华 编译时间: 2022-6-29 点击量: 3

过饱和固溶体低温分解成不利的晶间析出物是限制剧烈塑性变形制备的纳米晶铝合金实际应用的长期瓶颈。使空位浓度最小化通常被认为是抑制分解过程的有效方法。本文报告了一种违反直觉的策略,通过高密度空位结合 Sc 微合金化来稳定纳米晶粒 Al-Cu 合金中的过饱和固溶体。通过在富含强(Cu、Sc、空位)的原子配合物中产生高两个数量级的空位浓度,在 Al-Cu-Sc 合金中实现了高热稳定性,几乎将析出抑制到 ~230° C。溶质-空位复合物还使纳米晶Al-Cu合金具有更高的强度、更大的应变硬化能力和延展性。这些发现为溶质-空位相互作用的巨大潜力以及开发具有高稳定性和良好机械性能的纳米晶合金提供了前景。

作为高度关注金属材料的重要相变,固态沉淀能够实现不同长度尺度的微观结构可调性和针对不同需求的性能优化。过去几十年对固态沉淀的研究遵循人工控制的轨迹,在结构合金(例如高强度铝合金、铜合金和钢)和功能材料(例如形状记忆合金、磁体和热电材料)。人们普遍认为,沉淀动力学以原子扩散为主,其中空位尤其对替代合金元素起着关键作用。因此,通过深入了解空位和溶质原子之间的相互作用,可以推进对沉淀的人工控制。

一个典型的例子是利用可热处理铝 (Al) 合金中的微合金化效应来调节析出行为。发现在 Al-Cu 合金中添加少量 In、Sn 或 Cd 可抑制自然时效,同时促进高温下的沉淀. 自然时效的抑制与微合金元素(In、Sn 或 Cd)与空位之间的强结合有关。这种强结合有效地捕获了淬火的空位,因此大大减慢了铜的扩散。但空位在升高的温度下释放,这有利于θ′θ′ -Al 2 Cu 沉淀物的沉淀。在由 Sn微合金化的 Al-Mg-Si 合金中也观察到具有相同机制的类似沉淀行为。最近,在精心设计的低维材料几何形状中直接证实了空位需求的沉淀,其中空位要么在数字中得到高度提升(通过加热在表面激发空位)或通过扩散完全消除(通过变薄在表面消除空位),分别导致小尺寸样品中的沉淀促进或抑制。所有先前的结果都专门针对相同的结论,即过量空位对于促进铝合金中的沉淀是必要的。

严重塑性变形 (SPD)(例如,高压扭转 (HPT) 和等通道角挤压 (ECAP))已被广泛应用于生成具有潜在应用的亚微米和纳米尺寸晶粒结构的高强度块体铝合金 . 高含量的溶质元素对于合金通过延缓恢复和通过固溶硬化提高强度来达到纳米晶粒 (NG) 结构至关重要。然而,SPD 过程中施加的高应变不可避免地会在小晶粒铝合金中产生高密度晶体缺陷,包括非平衡晶界、位错和空位。特别是,空位浓度通常可以达到~10^-3 at.% 的水平通过 HPT 处理的金属样品中,至少比传统固溶处理样品中的淬火空位大一个数量级。这些超过量晶体缺陷极大地加速了原子扩散,并伴随着在较低温度下引发沉淀,优先沿着位错和晶界。例如,在 SPD 处理的具有纳米晶粒的 Al-Cu 合金中,大量的晶间非共格稳定θ -Al 2即使在环境储存期间,Cu 相也可能在晶界 (GB) 处形成。难以处理的低温(通常低于~100°C,甚至在室温下)沉淀稳定沉淀相成为热不稳定性的另一个挑战,严重限制了NG Al合金和其他具有过饱和固溶体的NG合金在高温下的实际应用温度,与广泛关注的严重晶粒粗化平行。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。抑制 NG Al-Cu 合金中的不利沉淀。这种策略违反直觉,将空位浓度提高到相当高的水平,并利用微合金元素(钪,Sc)产生强溶质-空位复合物。我们证明,这些富含(Cu、Sc、空位)的原子配合物牢固地捕获空位并在高达~230°C 的情况下显著抑制 Al-Cu 沉淀物的沉淀。富含高密度(Cu、Sc、空位)的原子配合物也使 NG Al-Cu 合金同时具有更高的强度、更大的加工硬化和更大的延展性。溶质-空位复合设计理念,不受超细纳米晶粒尺寸限制,易于应用于大尺寸样品工程,相关研究成果以题“Freezing solute atoms in nanograined aluminum alloys via high-density vacancies”发表在国际著名期刊nature communications上。

 

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