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金屬頂刊《Acta》新突破！“晶界納米無序化”制備高強度、高溫熱穩定鋁合金！

2021-07-21 14:24:51 作者：材料學網來源：材料學網分享至：

導讀：本文提出了了界面無序設計概念，在偏析工程三元納米晶Al-Ni-Ce合金中，該合金表現出優異的熱穩定性和高溫強度。Ce和Ni的協同共偏析驅動了分離低于10nm富Al晶粒的非晶晶間膜的演變，這產生了突現的熱穩定性。這種有趣的行為歸因于在接近平衡的界面條件下受限無序區域中動力學緩慢的金屬間沉淀，由此產生的在高溫度下的出色的機械性能使得在合金設計中促進無序的功效更加可信。

將環境或低溫強度注入金屬合金的材料加工策略，特別是那些誘導晶粒細化的材料，往往是以犧牲高溫性能為代價的，這是由于引入了大量的非平衡缺陷，如使材料不穩定的晶界。這種權衡在納米晶和非晶態合金中具有象征意義，它們表現出理想的低溫力學性能，但在中等溫度下受到晶粒生長和晶化的阻礙，導致相關性能消失。

納米金屬中微觀結構失控的優勢促使最近通過采用熱力學和動力學策略賦予界面熱穩定性的二元合金設計來減緩晶粒長大的大量研究。熱力學穩定取決于通過添加有利的偏析元素來降低晶界能，而動力學穩定發生在晶粒邊界形成微妙原子團簇的系統中，從而降低晶界速度。這兩種骨架結構都強調晶界的化學偏析，對增強納米金屬的微觀結構穩定性具有理論和實踐意義。與許多晶粒生長低于熔點的30%的純納米晶體金屬相比，這些合金在其熔點的45%以上的溫度下表現出微觀組織穩定性，這是由于對合金添加物的仔細選擇。

盡管取得了這些成功，但苛刻的應用要求結構材料具有納米晶合金的室溫強度，允許在越來越高的溫度下操作，并克服與有序晶界上溶質偏析相關的有限損傷耐受能力。例如，目前用于交通運輸領域的輕質鋁合金在使用溫度下的強度保持能力較差，這推動了最近開發具有更好熱穩定性的鋁合金的研究。界面感知合金化技術在穩定納米鋁微觀結構方面的應用很少受到關注，盡管它在能源效率方面具有前所未有的潛力。

在最近的一項策略中，含有非晶晶間膜（AIFs）的納米晶合金出人意料地表現出了異常的熱穩定性，這與傳統觀點（無序是熱穩定性的詛咒）相反，在接近熔點的溫度下長時間保持其納米晶微觀結構，表明了迄今為止納米晶金屬表現出的最有希望的熱穩定性。雖然許多研究集中在二元合金，特別是Cu-Zr基合金上，但擴展到多組分合金已經證明，更高階的合金策略可以進一步提高這些理想的性能。此外，在Cu-Zr合金中，AIFs的存在可以在不影響室溫強度的情況下產生顯著的損傷容忍度和延展性。

在此，以加州大學圣巴巴拉分校材料系的Daniel S. Gianola為首的科研團隊將這一原理擴展到一種輕質鋁合金，根據其共偏析傾向故意加入Ni和Ce，滿足玻璃成形性標準，并表現出結構無序的界面，從而賦予優異的高溫穩定性和強度。在中等溫度下，Al-Ni-Ce納米晶合金中AIFs的化學偏析和結構演變提高了力學性能，延緩了金屬間相的析出。這種集體行為使得微觀結構穩定在其熔點的64%以上，并在較高的同源溫度下維持納米晶材料固有的超高機械強度。相關研究成果以題“Disordered Interfaces Enable High Temperature Thermal Stability and Strength in a Nanocrystalline Aluminum Alloy”發表在金屬頂刊Acta materialia上。

論文鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645421003530

Al-Ni-Ce合金中存在的鋁誘導熒光的存在和化學結構演變使該合金具有優異的顯微組織穩定性。具體來說，在低溫退火過程中，由于溶質的富集，AIF的短程有序度降低，減少了金屬間化合物析出的傾向，并穩定了納米晶組織，防止晶粒在高溫下長大。

圖1:原位熱穩定性分析。

a-d，HAADF （a-c）和BF （d）在200?C，325?C和380?C溫度下退火一小時的樣品沉積條件（a）的顯微圖。比例尺在a-c為10 nm，d為100 nm。b-c表現了高質量元素（Ni、Ce）向晶界的化學偏析（亮），導致晶粒內部富Al（暗）；d，提供了金屬間化合物析出和晶粒生長的證據。圖中顯示了Al3Ni（黃色{101}），Al11Ce3（綠色{020}和{103}）和Al（紅色，{111}和{200}）的衍射圖案。e，除Al-Ni-Ce合金外，幾種熱穩定納米晶合金的晶粒尺寸保留作為同源溫度的函數。

圖2:非原位退火Al-Ni-Ce合金樣品的暗場透射電鏡（TEM）累積晶粒尺寸分布。

圖4:原位透射電鏡加熱實驗。

a-c，在單獨加熱段高達200?C，325?C，和450?C收集的環狀暗場（ADF） STEM顯微照片。紋理重定向的實例用橙色箭頭表示。比例尺為10 nm。c還包含一個在最終加熱序列高達450℃的HAADF STEM顯微圖。在450?C ADF顯微照片的虛線區域是原來成像在25-325?C的區域。d，在加熱到記錄的溫度后室溫下收集的選定的區域衍射圖。比例尺為5nm-1。在325?C時，衍射圖形明顯有輕微的變化，對應于b中箭頭所示的重定向現象。α-Al11Ce3的[011]帶軸的模擬電子衍射圖用綠色覆蓋，以便與從c中的金屬間化合物收集的450℃衍射圖進行比較。{111}、{200}、{220}和{311}鋁衍射環在光束停止處用藍色標出。e，用于比較熱特征和直接觀察的非原位分析的差示掃描量熱法熱流曲線。f，實驗加熱剖面示意圖。

圖5:在原位加熱實驗過程中，從常規暗場透射電鏡圖像得出的晶粒尺寸累積面積分布。

圖9:a，b，沉積態（a）和加熱態（b，325♀C，原位）Al-Ni-Ce樣品的HAADF-STEM和電子色散X射線光譜圖。比例尺為10納米。EDS譜圖是彩色編碼的：Al是紅色，Ce是藍色，Ni是黃色。顏色強度對應于以原子百分比表示的局部濃度，縮放至最小值和最大值。在a中的顏色強度中反映的組成范圍是[94，95]%的Al、[3.5，4.1]%的Ni和[1.32，1.35]%的Ce，b是[94，97]%的Al、[0，6.3]%的Ni和[0，3.4]%的Ce。

圖10:a，b，在沉積和退火狀態下，兩個相鄰晶粒（G1和G2，陰影線）之間的AIF內假設溶質中心多面體堆積的示意性演變。虛線表示以溶質為中心的多面體，這種多面體與退火有更多的頂點共享。共享邊的面用實線標出。

高溫壓痕測量表明，所設計的Al-Ni-Ce合金在300℃以下表現出優于迄今所有高性能鋁合金的強度保持性，以及在較高溫度下與高性能合金相當的絕對強度，盡管存在金屬間相沉淀和微觀結構粗化。

高溫數據分析表明，在金屬間化合物沉淀之前，晶界介導的類STZ活動主導了機械行為，表現為與常規鋁合金相比，對強度15的溫度依賴性較弱。

圖11:a，左側，鋁合金的估計比強度作為晶粒尺寸的函數。通過壓痕測量的數據用綠色表示。右側，高比強度合金Ti-6Al-4V，Mg AZ31B，Al 6061-T6包括在內作為參考。Al-Ni-Ce合金的高溫機械性能，以及常規（1XXX-7XXX系列）合金、含Sc和Ce的合金和其他高性能鋁合金。Al-Ni-Ce樣品的誤差線在標記內。加熱至250℃后記錄最大室溫強度，用單個陰影六邊形標記標出。加熱到325℃后的室溫強度用交叉陰影六邊形標記標出。