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際應用的長期瓶頸。降低空位濃度，通常被認為是抑制分解過程的有效方法。

在此，來自西安交通大學等單位的研究者，報告了一種反直覺的策略，通過高密度空位結合Sc微合金化，穩定納米晶粒Al-Cu合金中的過飽和固溶體。相關論文以題為“Freezing solute atoms in nanograined aluminum alloys via high-density vacancies”發表在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，可以實現不同長度尺度下的微結構可調和不同需求下的性能優化。在過去的幾十年里，對固態沉淀的研究一直遵循著人工控制的軌跡，這在結構合金(如高強度鋁合金、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。一般認為，析出動力學以原子擴散為主，其中空位尤其對替代合金元素起著關鍵作用。因此，通過對空位與溶質原子相互作用的深入了解，可以促進人工控制沉淀。典型的例子是利用可熱處理鋁合金的微合金化效應來調節其析出行為。

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)和空位之間的強結合有關。這種強結合有效地捕獲淬火空位，從而大大減緩了Cu的擴散。但當溫度升高時，空位被釋放，促進了\({\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制。最近，空缺需求析出在精心設計的低維材料幾何結構中直接得到證實，在這些結構中，空缺要么在數量上大幅增加(表面受加熱刺激的空缺)，要么通過擴散完全消除(表面因變薄而湮滅的空缺)，導致在小尺寸樣品中分別促進或抑制析出。所有的研究結果都指向同一個結論：多余的空位對于促進鋁合金的析出是必要的。

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

這些超過剩的晶體缺陷，極大地加速了原子擴散，同時在較低的溫度下觸發了析出，優先沿著位錯和晶界。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定的θ-Al2Cu相。截斷的析出序列繞過了亞穩相干相θ”和θ’的晶內析出，這是粗晶對應物人工時效的常態。這種災難性的析出行為，大大降低了由SPD加工產生的NG合金的人工時效強化潛力。這種過飽和固溶體分解的另一個后果是由于快速恢復和晶粒粗化，在高溫下強度顯著降低。低溫(一般在~100℃以下，甚至在室溫下)難以析出的穩定析出相成為熱不穩定性的另一個挑戰，嚴重限制了NG鋁合金和其他具有過飽和固溶體的NG合金在高溫下的實際應用，同時也引起了廣泛關注的嚴重晶粒粗化。

減少晶體缺陷是減緩原子擴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，在77k下的HPT加工獲得了~8 nm的平均晶粒尺寸。史無前例地產生了孿晶界約束下平均曲率為零的Schwarz晶體結構。由于超細的納米晶粒尺寸，晶粒內的空位濃度很低。結果表明，在450℃溫度下，過飽和納米顆粒的擴散控制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，研究者報告了一種反策略來穩定過飽和溶質溶液，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質上更高的水平，并利用微合金化元素(鈧、Sc)產生強溶質空位復合物。結果表明，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度，更大的加工硬化和更大的延展性。溶質空位復合物設計理念不受超細納米晶粒尺寸的限制，易于應用于大尺寸樣品的工程，為開發具有可控固相析出和良好強度/塑性組合的NG Al合金或其他NG結構合金，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定性。

圖4 AlCuSc-C合金中的溶質配合物。

圖5 AlCuSc-R和AlCuSc合金在拉伸試驗和微柱壓縮試驗中的力學性能和變形行為。