導讀：本文在Al-Cu-Mg-Ag合金中加入Sc后，在高溫下富集Cu的納米沉淀相發生原位相變，Sc原子擴散并占據其間隙位置。轉化后的納米沉淀物在保持大體積分數的同時提高了熱穩定性，這兩種微觀結構特征使鋁合金具有高達400°C的抗蠕變強度。

鋁作為一種輕而軟的金屬，享有實至名歸的美譽。為了強化鋁，冶金學家使用合金化和工藝參數改進來獲得理想的沉淀分布，以強化金屬基體。雖然鋁合金繼續取代較重的合金，例如用于一般環境溫度應用的鋼，但對可在更高溫度(250-400°C)下使用的輕合金有強烈的需求。然而，市售鋁合金的耐溫能力有限(約200°C)，因為很難實現同時具有高體積分數和高熱穩定性的沉淀，而這對于在高溫下實現有效沉淀硬化至關重要。現在，薛及其同事在《nature materials》雜志上撰文指出，在添加了Sc的Al-Cu-Mg-Ag合金中，緩慢擴散的Sc溶質自組織進入預先存在的高密度相干富Cu納米沉淀物(Ω-phase)的間隙位點，形成熱穩定的v相納米沉淀物。

為了沉淀強化，合金需要在基體中溶解一種或多種溶質，然后通過熱處理計劃將其析出。鋁在這方面是一種不友好的元素，它只能溶解足夠數量的少量其他元素，這些元素是相對快速擴散的元素(圖1a)。與這些元素形成的沉淀物在250-400°C溫度范圍內傾向于溶解、變粗或轉變為不是有效增強劑的相。相反，擴散緩慢的元素在400°C時可以形成相對穩定的沉淀物，但在鋁中的溶解度較低，無法形成足夠數量(或體積分數)的沉淀物進行有效強化(圖1a)。

以往克服這一矛盾環境設計高溫鋁合金的方法包括將低遷移率元素(如Zr、Hf和Sc)分離到高溶解性元素(如Cu和Zn)形成的析出相界面。然而，界面穩定方法在超過350°C的溫度下變得越來越難以維持，因為即使是緩慢移動的元素的擴散率也會隨著溫度呈指數級增長。為了解決這個問題，薛和同事們展示了一種間隙溶質穩定策略，在Sc添加的Al-Cu-Mg-Ag合金中產生耐熱的v相納米沉淀相。

v相納米沉淀物的形成機制出乎意料。在相對較低的時效溫度(185℃)下，形成了由高溶解度Cu原子組成的Ω (Al2Cu)析出相，類似于無Sc合金。Sc原子最初以溶質的形式存在于鋁基體中。在Ω析出相的相干界面分離的Mg和Ag原子可以形成Sc原子進入析出相的屏障。但當暴露于更高的溫度(400°C)時，Sc原子通過Ω平面上的相干凸緣進入，并沉積在Ω析出相的間隙位置，形成v相，夾在殘余Ω析出相之間(圖1b-d)。因此，單個Ω平面可以轉化為一排v相粒子。根據密度泛函理論，在Al-Cu合金體系中，v相的每原子形成能幾乎是常見亞穩相Ω和θ′的兩倍。在400℃時，v相的抗粗化性能表現為優異的抗蠕變性能和拉伸力學性能

在此，美國田納西州橡樹嶺國家實驗室的Amit Shyam和Sumit Bahl，簡單概述了Sc元素對形成v相納米沉淀相的作用。由此產生的鋁合金在400°C時達到了前所未有的高強度和抗蠕變性能，這大約是其絕對熔點的80%。同時，對薛研究存在的部分問題進行了合理質疑，概況了該方向未來發展的挑戰和前景。相關研究成果以題“Heat-resistant aluminium alloys”發表在材料頂刊nature materials上。

鏈接：https://doi.org/10.1038/s41563-022-01436-6

圖1 凸緣輔助的原位相變將緩慢擴散的Sc溶質組裝到富Cu相干Ω納米沉淀中，形成高密度、熱穩定的v相納米沉淀物。a，鋁合金中典型溶質的過量固溶度(定義為400℃時最大固溶度Cmax和固溶度C400之間的差值)與400℃時它們在鋁基體中的擴散率的比較圖。b，高角度環形暗場掃描透射電子顯微鏡(HAADF-STEM)圖像，對應的快速傅里葉變換圖像(右上)，疊加元素圖(右中)和晶體結構(右下)的v相沿其[010]區域軸觀察。在晶體結構模型中，Al原子為綠色，Cu原子為紅色，Sc原子為藍色。c, HAADF-STEM圖像，原位轉化的v沉淀夾在Ω沉淀相模板的殘余物之間。CL，一致的凸緣。d，示意圖顯示了添加了原位相變以形成V相沉淀的凸緣。

在鎳合金、銅合金、鈦合金和鋼等常見合金體系中，都存在由凸緣機制生長的相干片狀析出相。因此，薛及其同事所概述的合金設計策略也指出了進一步改進合金的機會，即通過相干壁架吸收原子來輔助原位相變。雖然作者很好地描述了v相的形成機制，但仍然存在一些問題，例如為什么Sc原子一旦進入Ω平面，就會擴散到狹窄的通道中，為什么盡管它們的尺寸比Al和Cu原子都大，但它們還是選擇了一個間隙位置(常見的間隙固溶體有較小的原子占據間隙位置，例如鋼中的碳原子)，相干凸緣的什么特征使它們更有利于溶質的吸收而不是界面上的分離。此外，v相納米沉淀物熱穩定性的機理需要在經典粗化理論的框架下進一步闡明，或者與經典方法的偏差原因。進一步的研究可能會加深對機理的理解，并利用這種方法在其他合金體系中設計具有更好溫度能力的納米沉淀物。火車、飛機、汽車和宇宙飛船需要合金在更接近其熔化溫度的情況下工作，從長遠來看將會受益。