合金材料，Nature Materials！

SSC 科学百晓生

▲第一作者：Hang Xue

通讯作者：Gang Liu, Alexis Deschamps， Jun Sun

通讯单位：西安交通大学，法国格勒诺布尔-阿尔卑斯大学

DOI：10.1038/s41563-022-01420-0

研究背景

轻量化设计战略和先进的能源应用要求高强度的铝合金能够在300-400℃的温度范围内发挥其作用。然而，目前的商用高强度铝合金仅限于<150℃的低温应用，因为要实现既具有高热稳定性（优先与慢扩散溶质相关）又具有大体积分数（主要来自高溶解度和快扩散溶质）的相干纳米沉淀物是具有挑战性的。

研究问题

本研究展示了一种间隙溶质稳定策略，在添加Sc的Al-Cu-Mg-Ag合金中产生高密度、高度稳定的相干纳米沉淀物（称为V相），使铝合金在400℃下达到前所未有的抗蠕变性以及特殊的拉伸强度（约100MPa）。V相的形成集合了慢扩散的Sc和快扩散的Cu原子，是由连贯的相干框架辅助的原位相变引发的由扩散主导的Sc吸收和自组织到早期沉淀的Ω相的间隙排序。本研究设想，框架介导的慢扩散原子和快扩散原子之间的相互作用可能为稳定相干的纳米沉淀物走向先进的400℃级轻合金铺平道路，这可以很容易地适应大规模的工业生产。

▲图1|Sc-微合金中高度稳定的纳米沉淀物

要点：

l本研究使用铸造的Al-4.5 wt% Cu-0.3 wt% Mg-0.4 wt% Ag合金（以下简称Al-Cu-Mg-Ag合金）作为基础材料。为了比较，还研究了Al-4.5 wt% Cu模型合金。在185℃老化后，Al-Cu-Mg-Ag合金的微观结构的特点是沿{111}Al习性平面定向的板状Ω纳米沉淀物（图1a），其平均半径为~20nm，数量密度为~4.4 × 10²¹ m^-3，体积分数为~2.5 vol%。

lΩ纳米沉淀物由高溶解度的Cu组成，并在界面上被Mg和Ag隔离，众所周知，其一致性可保持到~200℃。在更高的温度下，它们经历了快速的粗化，并最终在大于~300℃的温度下转变为平衡的θ-Al₂Cu。在目前的Al-Cu-Mg-Ag合金中，当暴露于400℃时，这种热不稳定性得到了证实。只有在该温度下保持15分钟后，Ω纳米沉淀物才迅速变粗至大尺寸（平均半径约为260纳米），密度明显降低至约9.2×10¹⁷ m^-3（图1b）。为了提高热稳定性，慢扩散的Sc（0.3wt%）被添加到Al-Cu-Mg-Ag合金（以下简称Al-Cu-Mg-Ag-Sc合金）中。

l当Al-Cu-Mg-Ag-Sc合金暴露于400℃时，纳米沉淀物表现出与无Sc合金完全不同的演变。即使在暴露10小时后，细小连贯的板状沉淀物仍被保留（图1c），其尺寸几乎没有增加。纳米沉淀物的体积分数和数量密度估计分别为~1.8 vol%和~1.8 × 10²⁰ m^-3。正如下文所详述的，其在高温暴露期间发生了相变，其中Ω被一个新的相所取代，本研究把这个相命名为V相。APT结果显示，Ω和V纳米沉淀物之间的唯一区别是Sc原子均匀地分布在V相内（图1d与图1e相比）。

l图1h清楚地表明，在Al-Cu合金中，具有{111}Al取向的板状V纳米沉淀物比类似{111}Al取向的Ω和{100}Al取向的θ′-Al₂Cu纳米沉淀物显示出更高的抗粗化能力。

▲图2|在400℃时具有前所未有的机械性能

要点：

l高度稳定的V纳米沉淀物有可能在高温下产生卓越的机械性能。图2a显示了前面提到的三种合金以及Al-Sc合金在400℃下进行拉伸测试的应力-应变曲线。Al-Cu-Mg-Ag-Sc合金显示的抗拉强度达到~100 MPa，远远高于其他三种合金（都低于~40 MPa）。原因是V型纳米沉淀物具有热稳定性，同时具有较大的体积分数，而其他三种纳米沉淀物在热稳定性（Al-Cu-Mg-Ag合金中的Ω和Al-Cu合金中的θ′-Al₂Cu）或体积分数方面都存在不足。

l蠕变试验也是在400℃下进行的，在20至50 MPa的宽应力范围内进行的。图2b显示了稳态蠕变率（ε）与外加应力的关系。与以前报道的一些具有相对较高抗蠕变性的铝基合金或复合材料相比，本研究添加Sc的合金维持的稳态蠕变率一般要慢几个数量级，表明具有出色的抗蠕变性。

▲图3|具有间隙性Sc排序的强晶体结构

要点：

lAPT结果表明，V相含有Sc原子。定量分析表明，Sc原子的引入并没有改变Al和Cu的化学成分，V相的化学成分为Al/Cu/Sc≈8:4:1。图3a,d显示了入射电子束分别沿[100]Ω和[010]Ω轴排列的Ω相的代表性像差校正的HAADF和STEM图像，并插入了相应的快速傅里叶变换（FFT）图案和结构模型。V相的代表性图像显示在图3b,e中。V相具有与Ω相基本相同的结构骨架，而在FFT图像中，除了强大的基本模式外，还可以清楚地检测到指示子结构的额外模式（用黄色箭头标记）。从FFT图像中看到的亚结构被认为是周期性、局部有序结构的特征。

l本研究发现，间隙Sc的占据导致了V相中原子尺度的超级结构。本研究还进行了原子分辨率的能量色散X射线光谱图。图3c,f分别显示了沿[001]V和[010]V方向的V相的能量色散X射线光谱图。在这两种情况下，间隙Sc的占用是可见的，这将V相与Ω相区分开来。通过简单地将Ω相的原子结构与间隙Sc叠加，模拟的HAADF和FFT图像与实验的完全一致。

lΩ和V相的原子结构分别在图3g,h中说明。与一般在间隙位置发现的小原子不同，Sc原子的尺寸比Al和Cu的都大。因此，间隙位置的周期性Sc占据需要一些Al和/或Cu原子的定期置换才能实现。结构分析表明，所有的Al原子都经历了位移，而Cu原子则保持其位置不变。这有点类似于Al-Mg-Si合金中的沉淀演变，它是由柱状的Si柱介导的，Cu框架作为一个骨架来协调Ω到V的转变。

▲图4|通过扩散主导的Sc吸收和间隙排序的原位相变

要点：

l本研究还通过HAADF和APT手段捕捉到了Ω-V转变的不同阶段（图4a-c）。在暴露于400℃下10分钟的Al-Cu-Mg-Ag-Sc合金中，所有的纳米沉淀物都是具有Mg/Ag界面偏析的Ω相（图4a）。暴露30分钟后，一些Sc原子已经进入Ω纳米沉淀物，并组织成间隙排序。部分的Ω相被局部转化为V相（图4b）。保持4小时后，观察到完全由V相组成的纳米沉淀物（图4c），表明相变已经完成。图4b中所示的中间状态有力地证明了从Ω到V的原位相变。

l对未完成的Ω-V转化的HAADF结果显示，V相的形成始于界面上存在的凸起（在图4b中用箭头标记）。图4d显示了在单个Ω纳米沉淀物中形成的多个V相区域（命名为V-1、V-2和V-3），都对应于Ω界面上存在的凸起。本研究用差示扫描量热法结果确定了V相形成的临界温度为~300℃。实验发现，Ω板上可见的凸起数量在300℃以上会增加。这种巧合同样证明了V相和壁垒之间的强烈关联性。

结语

这项工作中的关键是在CLs的帮助下进行原位相变，将缓慢扩散的溶质与高溶解度的溶质耦合成相干的纳米沉淀物。由于相干的板状沉淀物类似于使用框架作为其生长机制的一部分并且广泛存在于各种合金中，如镁合金、镍合金、铜合金、钛合金和钢。本研究预计框架介导的不同溶质之间的相互作用也应适用于这些合金，以激发纳米沉淀物的意外相变并提供更好的性能。