低溫下過飽和固溶體分解為不利的晶間析出相，是限制劇烈塑性變形制備納米晶鋁合金實(shí)際應(yīng)用的長期瓶頸。降低空位濃度，通常被認(rèn)為是抑制分解過程的有效方法。

在此，來自西安交通大學(xué)等單位的研究者，報(bào)告了一種反直覺的策略，通過高密度空位結(jié)合Sc微合金化，穩(wěn)定納米晶粒Al-Cu合金中的過飽和固溶體。相關(guān)論文以題為“Freezing solute atoms in nanograined aluminum alloys via high-density vacancies”發(fā)表在Nature Communications上。

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

固相析出，作為一種高度聚焦于金屬材料的重要相變，可以實(shí)現(xiàn)不同長度尺度下的微結(jié)構(gòu)可調(diào)和不同需求下的性能優(yōu)化。在過去的幾十年里，對固態(tài)沉淀的研究一直遵循著人工控制的軌跡，這在結(jié)構(gòu)合金(如高強(qiáng)度鋁合金、銅合金和鋼)和功能材料(如形狀記憶合金、磁體和熱電材料)中也得到了很好的證明。一般認(rèn)為，析出動力學(xué)以原子擴(kuò)散為主，其中空位尤其對替代合金元素起著關(guān)鍵作用。因此，通過對空位與溶質(zhì)原子相互作用的深入了解，可以促進(jìn)人工控制沉淀。典型的例子是利用可熱處理鋁合金的微合金化效應(yīng)來調(diào)節(jié)其析出行為。

在Al-Cu合金中添加少量的In、Sn或Cd可以抑制自然時效，同時促進(jìn)高溫析出。抑制自然老化與微合金元素(In, Sn，或Cd)和空位之間的強(qiáng)結(jié)合有關(guān)。這種強(qiáng)結(jié)合有效地捕獲淬火空位，從而大大減緩了Cu的擴(kuò)散。但當(dāng)溫度升高時，空位被釋放，促進(jìn)了\({\theta}^{{\prime}})-Al2Cu析出相的析出。在Sn微合金化的Al-Mg-Si合金中也觀察到了類似的析出行為和相同的析出機(jī)制。最近，空缺需求析出在精心設(shè)計(jì)的低維材料幾何結(jié)構(gòu)中直接得到證實(shí)，在這些結(jié)構(gòu)中，空缺要么在數(shù)量上大幅增加(表面受加熱刺激的空缺)，要么通過擴(kuò)散完全消除(表面因變薄而湮滅的空缺)，導(dǎo)致在小尺寸樣品中分別促進(jìn)或抑制析出。所有的研究結(jié)果都指向同一個結(jié)論：多余的空位對于促進(jìn)鋁合金的析出是必要的。

強(qiáng)塑性變形(如高壓扭轉(zhuǎn)、等通道角壓等)，已廣泛應(yīng)用于制備亞微米和納米晶粒結(jié)構(gòu)的高強(qiáng)度塊體鋁合金，具有廣闊的應(yīng)用前景。高含量的溶質(zhì)元素可以延緩合金的回復(fù)，提高固溶硬化強(qiáng)度，從而達(dá)到納米晶結(jié)構(gòu)。然而，SPD過程中施加的高應(yīng)變不可避免地在小晶粒鋁合金中產(chǎn)生高密度晶體缺陷，包括非平衡晶界、位錯和空位。特別是，空位濃度通常可以達(dá)到~ 10-3 %的水平，比傳統(tǒng)溶液處理樣品中淬火后的空位至少大一個數(shù)量級。

這些超過剩的晶體缺陷，極大地加速了原子擴(kuò)散，同時在較低的溫度下觸發(fā)了析出，優(yōu)先沿著位錯和晶界。例如，在具有納米晶粒的SPD處理的Al-Cu合金中，即使在室溫儲存時，也能在晶界(gb)處形成大量的晶間非相干穩(wěn)定的θ-Al2Cu相。截?cái)嗟奈龀鲂蛄欣@過了亞穩(wěn)相干相θ”和θ’的晶內(nèi)析出，這是粗晶對應(yīng)物人工時效的常態(tài)。這種災(zāi)難性的析出行為，大大降低了由SPD加工產(chǎn)生的NG合金的人工時效強(qiáng)化潛力。這種過飽和固溶體分解的另一個后果是由于快速恢復(fù)和晶粒粗化，在高溫下強(qiáng)度顯著降低。低溫(一般在~100℃以下，甚至在室溫下)難以析出的穩(wěn)定析出相成為熱不穩(wěn)定性的另一個挑戰(zhàn)，嚴(yán)重限制了NG鋁合金和其他具有過飽和固溶體的NG合金在高溫下的實(shí)際應(yīng)用，同時也引起了廣泛關(guān)注的嚴(yán)重晶粒粗化。

減少晶體缺陷是減緩原子擴(kuò)散和避免不利的低溫析出NG合金的一種直觀策略。這一策略最近在NG過飽和Al-Mg合金中得到了體現(xiàn)，在77k下的HPT加工獲得了~8 nm的平均晶粒尺寸。史無前例地產(chǎn)生了孿晶界約束下平均曲率為零的Schwarz晶體結(jié)構(gòu)。由于超細(xì)的納米晶粒尺寸，晶粒內(nèi)的空位濃度很低。結(jié)果表明，在450℃溫度下，過飽和納米顆粒的擴(kuò)散控制Al3Mg2析出被完全抑制。而在平均晶粒尺寸為50 nm的NG Al-Mg合金中，低溫下Al3Mg2晶間析出明顯，這是由過多的晶體缺陷引起的。

在這里，研究者報(bào)告了一種反策略來穩(wěn)定過飽和溶質(zhì)溶液，抑制NG Al-Cu合金中不利的析出。這種策略與直覺相反，它將空位濃度提高到實(shí)質(zhì)上更高的水平，并利用微合金化元素(鈧、Sc)產(chǎn)生強(qiáng)溶質(zhì)空位復(fù)合物。結(jié)果表明，這些(Cu, Sc, 空位)-富集原子配合物牢牢地捕獲了空位，并大大抑制了Al-Cu析出相的析出，可達(dá)230°C。高密度的(Cu, Sc，空位)原子配合物也使NG Al-Cu合金同時具有更高的強(qiáng)度，更大的加工硬化和更大的延展性。溶質(zhì)空位復(fù)合物設(shè)計(jì)理念不受超細(xì)納米晶粒尺寸的限制，易于應(yīng)用于大尺寸樣品的工程，為開發(fā)具有可控固相析出和良好強(qiáng)度/塑性組合的NG Al合金或其他NG結(jié)構(gòu)合金，提供了不同的途徑。（文：水生）

圖１ AlCuSc-C合金中空位濃度高。

圖2 125℃時效6 h AlCuSc-R和AlCuSc-C合金的顯微組織表征。

圖3 AlCuSc-C合金具有較高的熱穩(wěn)定性。

圖4 AlCuSc-C合金中的溶質(zhì)配合物。

圖5 AlCuSc-R和AlCuSc合金在拉伸試驗(yàn)和微柱壓縮試驗(yàn)中的力學(xué)性能和變形行為。