高強(qiáng)商業(yè)鋁合金的最高服役溫度極限為150℃，遠(yuǎn)低于現(xiàn)代工業(yè)需求的300-400℃。強(qiáng)化納米析出粒子在高溫下體積分?jǐn)?shù)小且會(huì)發(fā)生快速粗化是限制其高溫使用的主要因素。一般情況下，加入快擴(kuò)散速率元素（如Cu、Zn和Si等）形成的納米粒子低溫下具有較大的體積分?jǐn)?shù)，但熱穩(wěn)定性較差。相反，慢擴(kuò)散速率元素低擴(kuò)散性元素（如Sc、Ti和Zr等）構(gòu)成的納米粒子具有較高的熱穩(wěn)定性，但其體積分?jǐn)?shù)非常小（<0.5%）。這兩類元素的擴(kuò)散速率差距非常大，難以耦合形成熱穩(wěn)定性好且大體積分?jǐn)?shù)的納米析出粒子。在Al - Cu合金中，界面溶質(zhì)偏聚是實(shí)現(xiàn)兩種元素在納米沉淀物/基體界面耦合的有效方法。快擴(kuò)散元素(即Cu)形成具有大體積分?jǐn)?shù)的θ?-Al2Cu納米沉淀物，在界面偏聚的慢擴(kuò)散速率元素(例如Sc或Mn/Zr)通過降低界面能和阻止跨界面擴(kuò)散來穩(wěn)定納米沉淀物，從而提供足夠的強(qiáng)化效果。當(dāng)溫度高于350℃時(shí)，這種機(jī)制不再有效。原位相變是克服這一困境的潛在方法: 首先在相對(duì)較低的時(shí)效溫度下快擴(kuò)散速率元素形成大體積分?jǐn)?shù)的納米沉淀物，然后在更高的溫度下通過原位相變路徑引入慢擴(kuò)散速率元素，實(shí)現(xiàn)了這兩類元素在空間上的周期性自組裝。目前，國內(nèi)外還還未報(bào)道過類似原位相變，本文取得了巨大的突破。

近日，來自西安交通大學(xué)的孫軍院士，劉剛教授課題組展示了一種間隙溶質(zhì)有序化穩(wěn)定策略，在添加Sc的Al - Cu - Mg - Ag合金中形成了一種高密度且高度穩(wěn)定的共格納米沉淀物(稱為V相)，使鋁合金在400℃時(shí)達(dá)到前所未有的抗蠕變性能和優(yōu)異的抗拉強(qiáng)度(~100 MPa)。由慢擴(kuò)散速率Sc原子和快擴(kuò)散速率Cu原子組成的V相是由共格臺(tái)階輔助的原位相變形成的，這種原位相變主要包括Sc原子的引入和Sc原子自組裝形成間隙有序兩個(gè)過程。慢擴(kuò)散原子和快擴(kuò)散原子之間有效耦合形成的共格納米沉淀物可能為400℃輕合金服役鋪平道路，其在工業(yè)應(yīng)用方面具有顯著價(jià)值。相關(guān)成果以“Highly stable coherent nanoprecipitates via diffusion-dominated solute uptake and interstitial ordering”為題發(fā)表在國際材料頂級(jí)期刊Nature Materials期刊上。

材料人為此還聯(lián)系了劉剛教授和本文的第一作者薛航，請(qǐng)他們聊一聊其中的奧妙！

(1) 創(chuàng)造性的通過原位相變策略設(shè)計(jì)出一種大體積分?jǐn)?shù)耐熱的共格納米析出粒子；

(2) 首次開發(fā)出400℃級(jí)耐熱鋁合金；

圖1 Sc微合金化形成高度穩(wěn)定的納米沉淀物；a - c，HADDF圖像顯示時(shí)效態(tài)Al-Cu-Mg-Ag合金(a)、熱暴露于400°C 0.25 h的Al-Cu-Mg-Ag合金(b)和熱暴露于400°C 10 h的Al-Cu-Mg-Ag-Sc合金(C)中的納米沉淀物。d,e，顯示400°C暴露的Al-Cu-Mg-Ag合金(d)和Al-Cu-Mg-Ag - Sc合金(e)中納米沉淀物內(nèi)元素分布的APT圖像。f,g, Al-Cu-Mg-Ag合金(f)和Al-Cu-Mg-Ag - Sc合金(g) 顯示SAXS原位測(cè)量的從室溫加熱至500°C納米沉淀物粒徑變化。h， 展示了Al-Cu合金中θ′-Al2Cu和Al-Cu - Mg - Ag合金中Ω相和Al-Cu - Mg – Ag-Sc合金中V納米沉淀物在300℃和400℃時(shí)的粗化速率。R為納米沉淀物的平均尺寸，t為時(shí)效時(shí)間。© 2022 Springer Nature

圖2 400°C下具有前所未有的力學(xué)性能；a, Al-Sc、Al-Cu、Al-Cu - mg - ag和Al-Cu - Mg - Ag - Sc合金400℃拉伸試驗(yàn)的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線。插圖顯示了目前Al-Cu-Mg-Ag-Sc合金的400℃測(cè)試的拉伸強(qiáng)度(高溫)與室溫屈服強(qiáng)度(RT)與商用鋁合金的對(duì)比。b, 400℃下Al-Cu-Mg-Ag-Sc合金穩(wěn)態(tài)拉伸蠕變性能，與之前報(bào)道的Al-Ce-Mg合金，Al - Sc - Er - Zr - Si基合金，6061合金，SiC/6061合金和增材制造(AM) Al-Ce-Ni-Mn在相同條件下蠕變性能的對(duì)比。© 2022 Springer Nature

圖3 Sc間隙有序化的晶體結(jié)構(gòu)；a,b,d,e, Al-Cu-Mg-Ag合金中Ω納米沉淀物沿[100]_Ω (a)和[010]_Ω (d)軸以及Al-Cu-Mg-Ag - Sc合金中V納米沉淀物沿[001]_V (b)和[010]_V (e)軸的HAADF圖像。c,f，對(duì)應(yīng)的原子映射，顯示沿[001]V (c)和[010]V (f)軸觀察V納米沉淀物中Cu和Sc原子的分布。g,h，顯示Ω (g)和V (h)無沉淀物的晶體結(jié)構(gòu)。V相間隙Sc富集。i, DFT模擬θ′、Ω和V相每原子形成能的結(jié)果，負(fù)值越大，結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定。© 2022 Springer Nature

圖4 擴(kuò)散主導(dǎo)的Sc吸收和間隙有序原位相變；a), Al-Cu-Mg-Ag-Sc合金在400℃下Ω-to-V轉(zhuǎn)變的HAADF圖像和相應(yīng)的APT圖像。在該溫度下保溫10 min后，Ω相的納米沉淀明顯(a)，界面Mg和Ag偏聚，少量Sc偏聚。b), 保溫30 min時(shí)，局部V相原位形成; c)保溫4 h后，納米沉淀物完全轉(zhuǎn)變?yōu)閂相。d），HAADF圖像顯示多個(gè)V相(命名為V-1, V-2和V-3)同時(shí)在一個(gè)大Ω納米沉淀物中轉(zhuǎn)變，所有這些都與CLs有關(guān); 在ML臺(tái)階上未形成V相。e）， TEM圖像顯示一些V納米沉淀物在邊緣呈直線分布，表明相變過程中發(fā)生了分裂。插圖是放大圖像;f)，CL輔助Sc擴(kuò)散到Ω，以及從Ω到V的原位相變，在Sc未到達(dá)的地方，V形成和Ω溶解之間存在競爭。© 2022 Springer Nature

本文創(chuàng)造性的利用原位相變策略，通過引入慢擴(kuò)散速率Sc元素在鋁合金中設(shè)計(jì)了一種高穩(wěn)定性-大體積分?jǐn)?shù)的納米沉淀物，解決了鋁合金領(lǐng)域無法在300-400℃服役的難題。這種策略對(duì)于開發(fā)其它高溫合金具有非常好的啟發(fā)作用。

原文詳情：

https://www.nature.com/articles/s41563-022-01420-0

1、本文提出的耐400℃鋁合金未來可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化嗎？在產(chǎn)業(yè)化過程中還需要解決哪些問題？

薛航：本文提出的耐熱鋁合金是在大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用的高強(qiáng)鋁合金基礎(chǔ)上進(jìn)行改良，其制備工藝簡單且性能提升顯著，具有重大產(chǎn)業(yè)化前景。本合金制備的特點(diǎn)是通過雙級(jí)時(shí)效工藝克服了慢擴(kuò)散原子Sc與快擴(kuò)散原子Cu之間有效耦合在時(shí)間上的“失配”，在原有富Cu納米沉淀相Ω中，通過原位相變路徑引入Sc原子，實(shí)現(xiàn)了這兩類原子在空間上的周期性自組裝，由于相變存在溫度窗口且發(fā)生速度較快，因此精確的熱處理溫度和時(shí)間匹配是實(shí)現(xiàn)新型耐熱納米沉淀相顆粒V形成的關(guān)鍵。產(chǎn)業(yè)化過程中，合金材料尺寸放大會(huì)引起材料在熱處理過程中形成溫度梯度，這會(huì)導(dǎo)致耐熱納米沉淀相顆粒V的不均勻析出，所以在產(chǎn)業(yè)化過程中還需要根據(jù)材料尺寸設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的熱處理工藝。

2、第二相納米析出粒子在蠕變過程中密度是否會(huì)不斷增加？

薛航：蠕變初期，納米沉淀相顆粒的密度會(huì)逐漸增加。當(dāng)鋁基體中納米沉淀相顆粒的組成元素的濃度達(dá)到其在鋁合金中400℃的平衡固溶度后，納米沉淀相顆粒的密度不再隨時(shí)間增加而增加。

3、鋁合金在航空航天的應(yīng)用前景如何？

薛航：減重是航空航天裝備永恒的主題，在這一需求背景下，鋁合金由于高的比強(qiáng)度和良好的綜合性能，一直廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。在設(shè)計(jì)需求推動(dòng)和鋁合金科學(xué)技術(shù)發(fā)展的雙重作用下，國內(nèi)外航空鋁合金至今已發(fā)展至第五代鋁合金。隨著航空航天裝備向更快和更遠(yuǎn)的方向發(fā)展，在減重的前提下提高裝備結(jié)構(gòu)材料耐熱性的需求更加突出。目前，耐熱鋁合金的服役溫度限制在150℃左右，無法替代在250-400℃服役的部件/構(gòu)件，限制了航空航天裝備進(jìn)一步的輕量化發(fā)展。因此，持續(xù)提高耐熱鋁合金的服役溫度對(duì)航空航天未來發(fā)展具有重要的意義。