2025年2月26日，北京理工大學(xué)材料學(xué)院博士生薛程鵬提出一種利用獨(dú)特的多層核殼結(jié)構(gòu)納米析出相增強(qiáng)鋁鋰合金力學(xué)性能的策略，突破了傳統(tǒng)鑄造鋁鋰合金強(qiáng)度低的難題。研究發(fā)現(xiàn)了一種獨(dú)特的富Li多層核殼結(jié)構(gòu)納米析出相，該析出相在時(shí)效態(tài)穩(wěn)定存在且以高體積分?jǐn)?shù)析出，通過(guò)沉淀強(qiáng)化使鑄造鋁鋰合金的抗拉強(qiáng)度提升至接近500 MPa，可替代大部分變形鋁鋰合金。該研究成果以“An Ultrastrong Multilayer Core-Shell Nanostructure in Aluminum-Lithium Castings”為封面文章發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)期刊Nano Letters上，北京理工大學(xué)博士研究生薛程鵬為本文第一作者，北京理工大學(xué)為唯一通訊單位，合作單位有中國(guó)散裂中子源（CSNS）、遼寧材料實(shí)驗(yàn)室(LAM)、和澳大利亞昆士蘭大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)。文章鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c06368

圖1 鑄造鋁鋰合金中超高強(qiáng)多層核殼結(jié)構(gòu)析出相

鋁鋰合金由于加入較多輕元素Li，使其具有密度低（僅為其它鋁合金的80%，鋼、銅合金的1/3）、比強(qiáng)度比剛度高，已經(jīng)在航空航天、國(guó)防軍用獲得大范圍應(yīng)用，比如火箭貯箱、大飛機(jī)機(jī)身蒙皮，但是變形加工價(jià)格昂貴、冷加工周期長(zhǎng)造成其民用領(lǐng)域推廣困難，比如低空飛行器減重、新能源汽車輕量化等。為了促進(jìn)軍民融合發(fā)展，將航空航天用變形鋁鋰技術(shù)應(yīng)用于低空經(jīng)濟(jì)、未來(lái)智能網(wǎng)聯(lián)交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域，本文發(fā)明了工藝流程短、成本低的鑄造鋁鋰合金，強(qiáng)度水平媲美傳統(tǒng)變形鋁鋰合金。本研究提出了新型納米析出相結(jié)構(gòu)，解決了傳統(tǒng)析出相的各種弊端，例如第二代鋁鋰合金強(qiáng)化相d¢-Al₃Li不抗剪切缺點(diǎn)，以及塑性變形過(guò)程中共面滑移導(dǎo)致不均勻變形和晶界應(yīng)力集中所致沿晶開(kāi)裂和脆性問(wèn)題；第三代鋁鋰合金強(qiáng)化相T₁-Al₂CuLi和θ′-Al₂Cu相形核能壘高，晶界無(wú)析出帶所致脆性斷裂。同時(shí)，傳統(tǒng)核殼結(jié)構(gòu)析出相在鋁鋰合金中不能穩(wěn)定存在，隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)則會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榉呛藲そY(jié)構(gòu)析出相，這種析出相結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變降低鋁鋰合金力學(xué)性能。因此，本文發(fā)現(xiàn)的一種穩(wěn)定的、低形核勢(shì)壘的多層核殼結(jié)構(gòu)共格納米析出相為第四代鋁鋰合金研制另辟蹊徑。

圖2 多層核殼結(jié)構(gòu)析出相的成分、結(jié)構(gòu)剖析及其生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)的量化

論文通過(guò)在Al-Li-Cu-Mg-Zn-Ti-Zr-Ag合金中控制不同Li、Cu含量，在175 ℃時(shí)效12 h形成了一種多層核殼結(jié)構(gòu)析出相。通過(guò)HAADF-STEM、APT以及SANS多種表征手段揭示了其結(jié)構(gòu)、成分和生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)，表明該析出相是以Al₃Zr-Al₃Ti作為核心層，富Ag-Zn作為中心層，Al₃Li作為最外層的富Li多層核殼結(jié)構(gòu)析出相，并且發(fā)現(xiàn)這種析出相生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)緩慢，具有極高的抗粗化能力以及高體積分?jǐn)?shù)析出的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)沉淀強(qiáng)化對(duì)屈服強(qiáng)度的貢獻(xiàn)達(dá)到85%，最終使鑄造的鋁鋰合金抗拉強(qiáng)度達(dá)到493.2 MPa。其強(qiáng)度超過(guò)了幾乎所有以Al-Li-Cu、Al-Li-Mg和Al-Li-Cu-Sc為基礎(chǔ)的鑄造工程合金，奠定了適用于短流程、低成本新質(zhì)生產(chǎn)力制造領(lǐng)域高強(qiáng)度輕質(zhì)合金材料的基石。

圖3 多層核殼結(jié)構(gòu)析出相通過(guò)沉淀強(qiáng)化實(shí)現(xiàn)的鋁鋰合金力學(xué)性能與其它鋁鋰合金力學(xué)性能的對(duì)比

進(jìn)一步地，研究團(tuán)隊(duì)基于DFT計(jì)算揭示了多層核殼結(jié)構(gòu)的形成機(jī)制。利用 APT 表征的多層核殼結(jié)構(gòu)析出相的化學(xué)成分，構(gòu)建了它們各自的特殊準(zhǔn)隨機(jī)結(jié)構(gòu) (SQS) 超胞，通過(guò)偏析能計(jì)算確定的不同溶質(zhì)原子 N （其中 N 代表 Zr、Ti、Ag 和 Zn）在 δ′/α-Al 界面附近的優(yōu)先分布。發(fā)現(xiàn)Ti和Zr更傾向于占據(jù)δ′相中的Li的位點(diǎn)，而Ag和Zn則傾向于占據(jù)Al的位點(diǎn)。

圖4 多層核殼結(jié)構(gòu)析出相的原子占位、結(jié)構(gòu)以及模型：（a，b）X（X = Zr、Ti、Ag和Zn）原子在共格(001)δ′/(001)α-Al界面占位的松弛原子模型以及相應(yīng)的偏析能ΔE_seg，右側(cè)的灰色原子說(shuō)明了X原子在α-Al的位點(diǎn)上的占據(jù)情況。在此，根據(jù)與界面平面的距離標(biāo)注了晶格平面，（c）包含核心層（CL）、中間層（ML）和外殼層（SL）的多層核殼結(jié)構(gòu)析出相示意圖，以及各自的化學(xué)成分，（d，e）CL和ML部分的SQS模型，（e）SQS模型中組成原子的化學(xué)短程有序（SRO）參數(shù)的計(jì)算結(jié)果

最后，研究團(tuán)隊(duì)基于DFT計(jì)算闡明了多層核殼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定機(jī)制。為了確定ML/α、CL/α、CL/ML、ML/δ′和CL/δ′中與連接相界面的局部原子無(wú)關(guān)的平均界面能和應(yīng)變能，考慮了不同的界面終端。分析表明，CL/α的界面能超過(guò)ML/α，從而導(dǎo)致在鋁合金中ML比CL優(yōu)先析出。同樣，CL/δ′的界面能略高于ML/δ′，這意味著ML可以潤(rùn)濕CL/δ′形成復(fù)合析出。值得注意的是，在所研究的界面結(jié)構(gòu)中，與CL/ML界面相關(guān)的界面能和應(yīng)變能都是最低的。因此，可以推斷形成這種復(fù)雜的多層核殼結(jié)構(gòu)是熱力學(xué)上最有利的構(gòu)型。δ′-Al₃Li的臨界形核半徑（R*）在573 K時(shí)的預(yù)測(cè)值為5.54 Å，這一計(jì)算值接近與之前在相同溫度下的4.14 Å，ΔG_V（-7.33 meV/atom）的相應(yīng)計(jì)算值也接近于-8.78 meV/atom。雖然與δ′相比，振動(dòng)熵對(duì)CL和ML的ΔG_V的影響較弱，但CL和ML相對(duì)于它們的共晶溶液的較大的ΔG_V導(dǎo)致CL和ML的臨界形核半徑（R*）和臨界形核功ΔG（R*）比δ′相的小得多，這或許可以解釋CL和ML的性質(zhì)以及由它們組成的多層核殼結(jié)構(gòu)析出相。此外，圖5（g-i）給出了在573 K、673 K和773 K三個(gè)典型時(shí)效溫度下各種候選結(jié)構(gòu)的形核自由能與析出半徑的計(jì)算結(jié)果。最引人注目的發(fā)現(xiàn)是，無(wú)論溫度（以ML和CL含量相等，即CL/ML = 1為例）和析出半徑如何，四種候選結(jié)構(gòu)的相對(duì)穩(wěn)定性幾乎都遵循相同的多層核殼結(jié)構(gòu)排序：δ′/ML（CL）> ML（CL）> 分離的ML和CL > CL（ML）。事實(shí)上，對(duì)于不同的CL和ML含量比，計(jì)算結(jié)果也是一致的。當(dāng)溫度升高到773 K時(shí)，四種結(jié)構(gòu)的形成能量幾乎相同，這表明不同的結(jié)構(gòu)可能共存。換句話說(shuō)，對(duì)于尺寸小于2 nm的析出相來(lái)說(shuō)，不存在占主導(dǎo)地位的結(jié)構(gòu)類型。對(duì)于尺寸大于2 nm較大的大多數(shù)核殼結(jié)構(gòu)析出相，多層核殼δ′/ML（CL）結(jié)構(gòu)的形成能量要低得多。因此，在所有L1₂結(jié)構(gòu)的析出相中，這種結(jié)構(gòu)將占主導(dǎo)地位。

圖5 不同核殼結(jié)構(gòu)析出相的界面能、形成能、臨界形核半徑以及臨界形核功的計(jì)算：（a）ML/CL的界面超胞示意圖，考慮了不同界面終端的影響，（b，c）分別為(001)ML/(001)CL的立方體對(duì)立方體方向接觸面的五個(gè)界面的界面能γ（mJ/m2）和共格應(yīng)變能ΔGcs（meV/atom），（d-f）CL、ML和δ′相分別在不同溫度下的體積形成能ΔG_V（meV/atom）、臨界形核半徑R*（Å）和臨界形核功ΔG（R*）（×10^-20 J）的計(jì)算結(jié)果，(g-i）在不同析出溫度下，核殼結(jié)構(gòu)、多層核殼結(jié)構(gòu)和分離結(jié)構(gòu)的總形成能與析出半徑的關(guān)系，紫色曲線表示多層核殼δ′/ML（CL）結(jié)構(gòu)，綠色曲線表示核殼ML（CL）結(jié)構(gòu)，紅色曲線表示兩個(gè)分離的ML和CL結(jié)構(gòu)，藍(lán)色曲線表示核殼CL（ML）結(jié)構(gòu)。

圖6 在不同的析出溫度和CL/ML原子比下，核殼結(jié)構(gòu)和分離結(jié)構(gòu)的總形核自由能與析出半徑的關(guān)系。紅色曲線表示兩個(gè)分離的ML和CL結(jié)構(gòu)，綠色曲線表示核殼ML（CL）結(jié)構(gòu)，藍(lán)色曲線表示核殼CL（ML）結(jié)構(gòu)

綜上所述，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種新型穩(wěn)定強(qiáng)的多層核殼納米結(jié)構(gòu)析出相強(qiáng)化鋁鋰合金力學(xué)性能的策略，將鋁鋰合金加工成本、加工周期降低一半以上，力學(xué)性能提升將近2倍，滿足未來(lái)交通對(duì)輕量化材料技術(shù)的需求。論文新發(fā)現(xiàn)的超強(qiáng)多層核殼結(jié)構(gòu)析出相是一種獨(dú)特的富Li、共格、納米級(jí)單核雙殼析出相（L1₂結(jié)構(gòu)），這與之前報(bào)道的傳統(tǒng)核殼結(jié)構(gòu)不同，這種復(fù)雜的多層核殼結(jié)構(gòu)既具有低錯(cuò)配誘導(dǎo)成核的優(yōu)點(diǎn)，又具有在使用條件下高度穩(wěn)定的特性。與傳統(tǒng)的核殼結(jié)構(gòu)相比，這種復(fù)雜的核殼結(jié)構(gòu)具有最低的臨界形核半徑和自由能，使鑄造的鋁鋰合金抗拉強(qiáng)度接近500 MPa。這種原創(chuàng)性調(diào)控思路為開(kāi)發(fā)低成本、高性能鋁鋰合金指明了新的方向。

作者簡(jiǎn)介：

薛程鵬：北京理工大學(xué)材料學(xué)院2019級(jí)博士研究生，師從王俊升教授，研究方向?yàn)楹娇蘸教煊酶邚?qiáng)高剛度鋁鋰合金組織性能調(diào)控。曾獲得博士研究生國(guó)家獎(jiǎng)學(xué)金、北京理工大學(xué)優(yōu)秀博士學(xué)位育苗基金、第49屆日內(nèi)瓦發(fā)明銀獎(jiǎng)、北京理工大學(xué)特等學(xué)業(yè)獎(jiǎng)學(xué)金、北京理工大學(xué)優(yōu)秀研究生、優(yōu)秀共青團(tuán)員以及優(yōu)秀學(xué)生干部等獎(jiǎng)勵(lì)和榮譽(yù)。

王俊升，教授、博士生導(dǎo)師，國(guó)家海外高層次人才，長(zhǎng)期從事航空航天輕質(zhì)合金設(shè)計(jì)與智能制造工藝開(kāi)發(fā)，主持軍委科技委基礎(chǔ)加強(qiáng)、重點(diǎn)研發(fā)、自然基金重點(diǎn)、面上等項(xiàng)目，探索了高性能輕質(zhì)合金微觀組織調(diào)控新方法，發(fā)明了一系列高強(qiáng)、高剛度、低成本、短流程鋁鋰合金、鎂鋰合金、新能源汽車用鋁合金等，幫助企業(yè)突破了一系列智能制造卡脖子難題，受到行業(yè)內(nèi)的認(rèn)可，比如美國(guó)金屬手冊(cè)、《北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)（英文版）》、《航空制造技術(shù)》、《特種鑄造及有色合金》、《材料熱處理學(xué)報(bào)》編委；中國(guó)有色金屬學(xué)會(huì)材料科學(xué)與工程學(xué)術(shù)委員會(huì)委員、第六、七屆“材料基因工程高層次論壇”組委等；培養(yǎng)的博士生連續(xù)獲得北京理工大學(xué)、北京市優(yōu)秀畢業(yè)生等榮譽(yù)。