金属顶刊《Acta》新突破！“晶界纳米无序化”制备高强度、高温热稳定铝合金！

2021-07-21 14:24:51 作者：材料学网来源：材料学网分享至：

导读：本文提出了了界面无序设计概念，在偏析工程三元纳米晶Al-Ni-Ce合金中，该合金表现出优异的热稳定性和高温强度。Ce和Ni的协同共偏析驱动了分离低于10nm富Al晶粒的非晶晶间膜的演变，这产生了突现的热稳定性。这种有趣的行为归因于在接近平衡的界面条件下受限无序区域中动力学缓慢的金属间沉淀，由此产生的在高温度下的出色的机械性能使得在合金设计中促进无序的功效更加可信。

将环境或低温强度注入金属合金的材料加工策略，特别是那些诱导晶粒细化的材料，往往是以牺牲高温性能为代价的，这是由于引入了大量的非平衡缺陷，如使材料不稳定的晶界。这种权衡在纳米晶和非晶态合金中具有象征意义，它们表现出理想的低温力学性能，但在中等温度下受到晶粒生长和晶化的阻碍，导致相关性能消失。

纳米金属中微观结构失控的优势促使最近通过采用热力学和动力学策略赋予界面热稳定性的二元合金设计来减缓晶粒长大的大量研究。热力学稳定取决于通过添加有利的偏析元素来降低晶界能，而动力学稳定发生在晶粒边界形成微妙原子团簇的系统中，从而降低晶界速度。这两种骨架结构都强调晶界的化学偏析，对增强纳米金属的微观结构稳定性具有理论和实践意义。与许多晶粒生长低于熔点的30%的纯纳米晶体金属相比，这些合金在其熔点的45%以上的温度下表现出微观组织稳定性，这是由于对合金添加物的仔细选择。

尽管取得了这些成功，但苛刻的应用要求结构材料具有纳米晶合金的室温强度，允许在越来越高的温度下操作，并克服与有序晶界上溶质偏析相关的有限损伤耐受能力。例如，目前用于交通运输领域的轻质铝合金在使用温度下的强度保持能力较差，这推动了最近开发具有更好热稳定性的铝合金的研究。界面感知合金化技术在稳定纳米铝微观结构方面的应用很少受到关注，尽管它在能源效率方面具有前所未有的潜力。

在最近的一项策略中，含有非晶晶间膜（AIFs）的纳米晶合金出人意料地表现出了异常的热稳定性，这与传统观点（无序是热稳定性的诅咒）相反，在接近熔点的温度下长时间保持其纳米晶微观结构，表明了迄今为止纳米晶金属表现出的最有希望的热稳定性。虽然许多研究集中在二元合金，特别是Cu-Zr基合金上，但扩展到多组分合金已经证明，更高阶的合金策略可以进一步提高这些理想的性能。此外，在Cu-Zr合金中，AIFs的存在可以在不影响室温强度的情况下产生显著的损伤容忍度和延展性。

在此，以加州大学圣巴巴拉分校材料系的Daniel S. Gianola为首的科研团队将这一原理扩展到一种轻质铝合金，根据其共偏析倾向故意加入Ni和Ce，满足玻璃成形性标准，并表现出结构无序的界面，从而赋予优异的高温稳定性和强度。在中等温度下，Al-Ni-Ce纳米晶合金中AIFs的化学偏析和结构演变提高了力学性能，延缓了金属间相的析出。这种集体行为使得微观结构稳定在其熔点的64%以上，并在较高的同源温度下维持纳米晶材料固有的超高机械强度。相关研究成果以题“Disordered Interfaces Enable High Temperature Thermal Stability and Strength in a Nanocrystalline Aluminum Alloy”发表在金属顶刊Acta materialia上。

论文链接：

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

Al-Ni-Ce合金中存在的铝诱导荧光的存在和化学结构演变使该合金具有优异的显微组织稳定性。具体来说，在低温退火过程中，由于溶质的富集，AIF的短程有序度降低，减少了金属间化合物析出的倾向，并稳定了纳米晶组织，防止晶粒在高温下长大。

图1:原位热稳定性分析。

a-d，HAADF （a-c）和BF （d）在200?C，325?C和380?C温度下退火一小时的样品沉积条件（a）的显微图。比例尺在a-c为10 nm，d为100 nm。b-c表现了高质量元素（Ni、Ce）向晶界的化学偏析（亮），导致晶粒内部富Al（暗）；d，提供了金属间化合物析出和晶粒生长的证据。图中显示了Al3Ni（黄色{101}），Al11Ce3（绿色{020}和{103}）和Al（红色，{111}和{200}）的衍射图案。e，除Al-Ni-Ce合金外，几种热稳定纳米晶合金的晶粒尺寸保留作为同源温度的函数。

图2:非原位退火Al-Ni-Ce合金样品的暗场透射电镜（TEM）累积晶粒尺寸分布。

图4:原位透射电镜加热实验。

a-c，在单独加热段高达200?C，325?C，和450?C收集的环状暗场（ADF） STEM显微照片。纹理重定向的实例用橙色箭头表示。比例尺为10 nm。c还包含一个在最终加热序列高达450℃的HAADF STEM显微图。在450?C ADF显微照片的虚线区域是原来成像在25-325?C的区域。d，在加热到记录的温度后室温下收集的选定的区域衍射图。比例尺为5nm-1。在325?C时，衍射图形明显有轻微的变化，对应于b中箭头所示的重定向现象。α-Al11Ce3的[011]带轴的模拟电子衍射图用绿色覆盖，以便与从c中的金属间化合物收集的450℃衍射图进行比较。{111}、{200}、{220}和{311}铝衍射环在光束停止处用蓝色标出。e，用于比较热特征和直接观察的非原位分析的差示扫描量热法热流曲线。f，实验加热剖面示意图。

图5:在原位加热实验过程中，从常规暗场透射电镜图像得出的晶粒尺寸累积面积分布。

图9:a，b，沉积态（a）和加热态（b，325♀C，原位）Al-Ni-Ce样品的HAADF-STEM和电子色散X射线光谱图。比例尺为10纳米。EDS谱图是彩色编码的：Al是红色，Ce是蓝色，Ni是黄色。颜色强度对应于以原子百分比表示的局部浓度，缩放至最小值和最大值。在a中的颜色强度中反映的组成范围是[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。

图10:a，b，在沉积和退火状态下，两个相邻晶粒（G1和G2，阴影线）之间的AIF内假设溶质中心多面体堆积的示意性演变。虚线表示以溶质为中心的多面体，这种多面体与退火有更多的顶点共享。共享边的面用实线标出。

高温压痕测量表明，所设计的Al-Ni-Ce合金在300℃以下表现出优于迄今所有高性能铝合金的强度保持性，以及在较高温度下与高性能合金相当的绝对强度，尽管存在金属间相沉淀和微观结构粗化。

高温数据分析表明，在金属间化合物沉淀之前，晶界介导的类STZ活动主导了机械行为，表现为与常规铝合金相比，对强度15的温度依赖性较弱。

图11:a，左侧，铝合金的估计比强度作为晶粒尺寸的函数。通过压痕测量的数据用绿色表示。右侧，高比强度合金Ti-6Al-4V，Mg AZ31B，Al 6061-T6包括在内作为参考。Al-Ni-Ce合金的高温机械性能，以及常规（1XXX-7XXX系列）合金、含Sc和Ce的合金和其他高性能铝合金。Al-Ni-Ce样品的误差线在标记内。加热至250℃后记录最大室温强度，用单个阴影六边形标记标出。加热到325℃后的室温强度用交叉阴影六边形标记标出。