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

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

鋁合金的顯著持續改進很大程度上源于強化機制的理論，這些理論是與合金強化的實驗結果一起發展起來的，最顯著的是沉淀強化和固溶強化。固溶強化方法是基于不同現象引起的位錯運動的阻礙，但主要是位錯應變場與溶質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生應變場的溶質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)合金固溶強化的趨勢。結果表明，鎂在Fe-M合金中固溶強化效果中影響最大，這主要是由于原子尺寸的不匹配和彈性性質的變化。

DFT和類似的量子力學計算有助于確定晶格畸變和基態彈性特性。在Al基體系中，DFT已被用于描述63種元素小濃度時晶格應變和彈性特性的變化。平衡溶解度可以從現有的相圖中確定，但只有少數制造技術規定了平衡條件。非平衡處理傾向于增加溶解度限制，大量的溶解度擴展是在70年代和80年代新開發的快速凝固技術以及當前的增材制造技術中實現的。這些擴展的固溶性可以在固溶強化的基礎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化為析出物，進一步提高強度和硬度。

本文研究以固溶強化分析開始，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變化和局部晶格變形。這些結果，加上平衡和非平衡溶解度數據，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. %，并進行激光上釉，以產生非平衡微觀結構。采用掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡相結合的方法測定了其微觀結構和固溶特性。

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，在鈷濃度分別為0.5、1.0和3.0 at. %時，最大硬度分別對應為1.28、1.74和3.43 GPa。對于Al-Ce系統，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 構建超胞的球棒模型；


圖2 熔池中心的BSE SEM圖像


圖3 相關TEM表征圖


圖4 熔化池內部的HAADF圖像和元素映射


圖5 Al-1Co at. %中富Co簇的HRTEM圖像。


圖6 EBSD單軌結果


圖7 Al-0.5Co at. %熔體軌跡內外納米壓痕陣列的光學圖像。


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。

在Al-X合金中，X是原子序數在1到94之間的元素，理論和實驗研究的結果確定，鈷和鈰是可以在鋁中產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。