導(dǎo)讀：本文在Al-Cu-Mg-Ag合金中加入Sc后，在高溫下富集Cu的納米沉淀相發(fā)生原位相變，Sc原子擴散并占據(jù)其間隙位置。轉(zhuǎn)化后的納米沉淀物在保持大體積分?jǐn)?shù)的同時提高了熱穩(wěn)定性，這兩種微觀結(jié)構(gòu)特征使鋁合金具有高達400°C的抗蠕變強度。

鋁作為一種輕而軟的金屬，享有實至名歸的美譽。為了強化鋁，冶金學(xué)家使用合金化和工藝參數(shù)改進來獲得理想的沉淀分布，以強化金屬基體。雖然鋁合金繼續(xù)取代較重的合金，例如用于一般環(huán)境溫度應(yīng)用的鋼，但對可在更高溫度(250-400°C)下使用的輕合金有強烈的需求。然而，市售鋁合金的耐溫能力有限(約200°C)，因為很難實現(xiàn)同時具有高體積分?jǐn)?shù)和高熱穩(wěn)定性的沉淀，而這對于在高溫下實現(xiàn)有效沉淀硬化至關(guān)重要。現(xiàn)在，薛及其同事在《nature materials》雜志上撰文指出，在添加了Sc的Al-Cu-Mg-Ag合金中，緩慢擴散的Sc溶質(zhì)自組織進入預(yù)先存在的高密度相干富Cu納米沉淀物(Ω-phase)的間隙位點，形成熱穩(wěn)定的v相納米沉淀物。

為了沉淀強化，合金需要在基體中溶解一種或多種溶質(zhì)，然后通過熱處理計劃將其析出。鋁在這方面是一種不友好的元素，它只能溶解足夠數(shù)量的少量其他元素，這些元素是相對快速擴散的元素(圖1a)。與這些元素形成的沉淀物在250-400°C溫度范圍內(nèi)傾向于溶解、變粗或轉(zhuǎn)變?yōu)椴皇怯行г鰪妱┑南?。相反，擴散緩慢的元素在400°C時可以形成相對穩(wěn)定的沉淀物，但在鋁中的溶解度較低，無法形成足夠數(shù)量(或體積分?jǐn)?shù))的沉淀物進行有效強化(圖1a)。

以往克服這一矛盾環(huán)境設(shè)計高溫鋁合金的方法包括將低遷移率元素(如Zr、Hf和Sc)分離到高溶解性元素(如Cu和Zn)形成的析出相界面。然而，界面穩(wěn)定方法在超過350°C的溫度下變得越來越難以維持，因為即使是緩慢移動的元素的擴散率也會隨著溫度呈指數(shù)級增長。為了解決這個問題，薛和同事們展示了一種間隙溶質(zhì)穩(wěn)定策略，在Sc添加的Al-Cu-Mg-Ag合金中產(chǎn)生耐熱的v相納米沉淀相。

v相納米沉淀物的形成機制出乎意料。在相對較低的時效溫度(185℃)下，形成了由高溶解度Cu原子組成的Ω (Al2Cu)析出相，類似于無Sc合金。Sc原子最初以溶質(zhì)的形式存在于鋁基體中。在Ω析出相的相干界面分離的Mg和Ag原子可以形成Sc原子進入析出相的屏障。但當(dāng)暴露于更高的溫度(400°C)時，Sc原子通過Ω平面上的相干凸緣進入，并沉積在Ω析出相的間隙位置，形成v相，夾在殘余Ω析出相之間(圖1b-d)。因此，單個Ω平面可以轉(zhuǎn)化為一排v相粒子。根據(jù)密度泛函理論，在Al-Cu合金體系中，v相的每原子形成能幾乎是常見亞穩(wěn)相Ω和θ′的兩倍。在400℃時，v相的抗粗化性能表現(xiàn)為優(yōu)異的抗蠕變性能和拉伸力學(xué)性能

在此，美國田納西州橡樹嶺國家實驗室的Amit Shyam和Sumit Bahl，簡單概述了Sc元素對形成v相納米沉淀相的作用。由此產(chǎn)生的鋁合金在400°C時達到了前所未有的高強度和抗蠕變性能，這大約是其絕對熔點的80%。同時，對薛研究存在的部分問題進行了合理質(zhì)疑，概況了該方向未來發(fā)展的挑戰(zhàn)和前景。相關(guān)研究成果以題“Heat-resistant aluminium alloys”發(fā)表在材料頂刊nature materials上。

鏈接：https://doi.org/10.1038/s41563-022-01436-6

圖1 凸緣輔助的原位相變將緩慢擴散的Sc溶質(zhì)組裝到富Cu相干Ω納米沉淀中，形成高密度、熱穩(wěn)定的v相納米沉淀物。a，鋁合金中典型溶質(zhì)的過量固溶度(定義為400℃時最大固溶度Cmax和固溶度C400之間的差值)與400℃時它們在鋁基體中的擴散率的比較圖。b，高角度環(huán)形暗場掃描透射電子顯微鏡(HAADF-STEM)圖像，對應(yīng)的快速傅里葉變換圖像(右上)，疊加元素圖(右中)和晶體結(jié)構(gòu)(右下)的v相沿其[010]區(qū)域軸觀察。在晶體結(jié)構(gòu)模型中，Al原子為綠色，Cu原子為紅色，Sc原子為藍色。c, HAADF-STEM圖像，原位轉(zhuǎn)化的v沉淀夾在Ω沉淀相模板的殘余物之間。CL，一致的凸緣。d，示意圖顯示了添加了原位相變以形成V相沉淀的凸緣。

在鎳合金、銅合金、鈦合金和鋼等常見合金體系中，都存在由凸緣機制生長的相干片狀析出相。因此，薛及其同事所概述的合金設(shè)計策略也指出了進一步改進合金的機會，即通過相干壁架吸收原子來輔助原位相變。雖然作者很好地描述了v相的形成機制，但仍然存在一些問題，例如為什么Sc原子一旦進入Ω平面，就會擴散到狹窄的通道中，為什么盡管它們的尺寸比Al和Cu原子都大，但它們還是選擇了一個間隙位置(常見的間隙固溶體有較小的原子占據(jù)間隙位置，例如鋼中的碳原子)，相干凸緣的什么特征使它們更有利于溶質(zhì)的吸收而不是界面上的分離。此外，v相納米沉淀物熱穩(wěn)定性的機理需要在經(jīng)典粗化理論的框架下進一步闡明，或者與經(jīng)典方法的偏差原因。進一步的研究可能會加深對機理的理解，并利用這種方法在其他合金體系中設(shè)計具有更好溫度能力的納米沉淀物?；疖?、飛機、汽車和宇宙飛船需要合金在更接近其熔化溫度的情況下工作，從長遠來看將會受益。