本文固溶強(qiáng)化分析開始，利用第一性原理計算加上平衡和非平衡溶解度數(shù)據(jù)，篩選出鈰和鈷作為主要的候選強(qiáng)化元素，設(shè)計了Al-X合金中。對于Al-Co系統(tǒng)，鈷濃度為3.0 at. %時最大硬度3.43 GPa，對于Al-Ce系統(tǒng)，Ce濃度3.0 at. %時最大硬度3.19 GPa。結(jié)果表明鈰和鈷是利用非平衡加工條件作為添加劑制造的下一代鋁合金中很有前途的元素。

目前的許多鋁合金是由早在20世紀(jì)初就已開發(fā)的成分體系演變而來的。幾十年來，實驗和理論工作的穩(wěn)步進(jìn)展大大提升了精煉合金成分和后處理工藝。近日，美國康涅狄格大學(xué)大學(xué)等研究者通過設(shè)計固溶強(qiáng)化鋁合金，用于涉及高速冷卻的制造技術(shù)。相關(guān)論文以題為“Novel Al-X alloys with improved hardness”于近日發(fā)表在Materials & Design上。

論文鏈接： https://doi.org/10.1016/j.matdes.2020.108699

鋁合金的顯著持續(xù)改進(jìn)很大程度上源于強(qiáng)化機(jī)制的理論，這些理論是與合金強(qiáng)化的實驗結(jié)果一起發(fā)展起來的，最顯著的是沉淀強(qiáng)化和固溶強(qiáng)化。固溶強(qiáng)化方法是基于不同現(xiàn)象引起的位錯運動的阻礙，但主要是位錯應(yīng)變場與溶質(zhì)原子之間的相互作用。通過密度泛函理論(DFT)的第一性原理計算，可以非常有效地處理產(chǎn)生應(yīng)變場的溶質(zhì)原子附近的晶格畸變。例如，采用DFT解釋了Fe0.975M0.025 (M= Mg, Al, Si, V, Cr, Mn, Co, Ni)和Fe0.975-x-yCrxNiyMg0.025(x = 0.1, 0.15, 0.2, y = 0.2)合金固溶強(qiáng)化的趨勢。結(jié)果表明，鎂在Fe-M合金中固溶強(qiáng)化效果中影響最大，這主要是由于原子尺寸的不匹配和彈性性質(zhì)的變化。

DFT和類似的量子力學(xué)計算有助于確定晶格畸變和基態(tài)彈性特性。在Al基體系中，DFT已被用于描述63種元素小濃度時晶格應(yīng)變和彈性特性的變化。平衡溶解度可以從現(xiàn)有的相圖中確定，但只有少數(shù)制造技術(shù)規(guī)定了平衡條件。非平衡處理傾向于增加溶解度限制，大量的溶解度擴(kuò)展是在70年代和80年代新開發(fā)的快速凝固技術(shù)以及當(dāng)前的增材制造技術(shù)中實現(xiàn)的。這些擴(kuò)展的固溶性可以在固溶強(qiáng)化的基礎(chǔ)上直接幫助提高硬度，也可以在操作或后處理熱處理過程中轉(zhuǎn)化為析出物，進(jìn)一步提高強(qiáng)度和硬度。

本文研究以固溶強(qiáng)化分析開始，利用第一性原理計算來確定不同元素引入鋁基體晶格后的彈性性質(zhì)變化和局部晶格變形。這些結(jié)果，加上平衡和非平衡溶解度數(shù)據(jù)，篩選出鈰和鈷作為主要的候選合金元素。合成的Al-Ce和Al-Co的合金濃度分別為0.5、1.0和3.0 at. %，并進(jìn)行激光上釉，以產(chǎn)生非平衡微觀結(jié)構(gòu)。采用掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡相結(jié)合的方法測定了其微觀結(jié)構(gòu)和固溶特性。

此外，納米壓痕用于測量硬度，表明這兩種候選體系在上釉后都顯著硬化。對于Al-Co系統(tǒng)，在鈷濃度分別為0.5、1.0和3.0 at. %時，最大硬度分別對應(yīng)為1.28、1.74和3.43 GPa。對于Al-Ce系統(tǒng)，在Ce濃度分別為0.5、1.0和3.0 at. %時，Al-Ce的最大硬度為0.68、1.26和3.19 GPa。另外，Al-1.0Co at. %可達(dá)到與Al6061-T6媲美的硬度。而Al-3.0Co at. %激光上釉相硬度約為Al6061-T6的兩倍。

圖1 構(gòu)建超胞的球棒模型；

圖2 熔池中心的BSE SEM圖像

圖3 相關(guān)TEM表征圖

圖4 熔化池內(nèi)部的HAADF圖像和元素映射

圖5 Al-1Co at. %中富Co簇的HRTEM圖像。

圖6 EBSD單軌結(jié)果

圖7 Al-0.5Co at. %熔體軌跡內(nèi)外納米壓痕陣列的光學(xué)圖像。

圖8 硬度值與a) AlCe和b) AlCo在0.5、1.0和3.0 at. %處與熔池邊緣距離的函數(shù)。

在Al-X合金中，X是原子序數(shù)在1到94之間的元素，理論和實驗研究的結(jié)果確定，鈷和鈰是可以在鋁中產(chǎn)生顯著硬化的潛在合金元素。鈰和鈷是利用非平衡加工條件作為添加劑制造的下一代鋁合金中很有前途的元素。