《Journal of Materials Research and Technology》：Development of post-processing technology enabling a fourfold improvement in the productivity of L-PBF fabricated Inconel 718 components
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为深入理解铝合金中锂元素的偏析行为及其对微观结构和性能的影响，研究人员结合气体雾化、扫描电镜/电子背散射衍射表征和第一性原理计算方法，系统研究了Al-2wt.% Li合金粉末的晶界特征与锂偏析机制。研究发现，锂优先在Σ3、Σ5、Σ7等特定晶界及三叉晶界处偏析，且人工时效后偏析加剧；第一性原理计算证实Σ5(310)晶界对锂的亲和力最强。该成果为优化铝锂合金的成分设计与热处理工艺提供了关键的理论依据。
在现代航空航天和交通运输领域，减轻结构重量以提升效率和性能是永恒的主题。铝锂合金因其出色的“减重又增刚”特性备受青睐——每添加1wt.%的锂，合金密度可降低约3%，而杨氏模量则能提升约6%。然而，这把“双刃剑”的另一面，是锂元素带来的棘手问题。锂在铝基体中的溶解度随温度剧烈变化，并且在凝固和后续热处理过程中，极容易从晶粒内部“跑”到晶界（GBs）等界面处聚集，即发生偏析。这种偏析行为如同在材料的微观世界中埋下了隐患，它不仅会影响强化相的析出，还可能削弱晶界结合力，加剧材料的沿晶开裂和脆化，直接威胁到构件的服役安全与寿命。尽管以往研究已观察到锂在晶界的富集现象，但对于锂究竟偏爱“定居”在哪类晶界、偏析的程度如何、其背后的原子尺度机制是什么，仍缺乏清晰、定量的认识。为了破解这些难题，揭开铝锂合金微观世界中锂的“迁移地图”与“定居偏好”，一项结合了先进实验表征与理论计算的研究在《Journal of Materials Research and Technology》上展开。
研究人员主要运用了以下几项关键技术方法：首先，采用气体雾化法制备了平均粒径约20微米的纯Al粉末和Al-2 wt.% Li合金粉末，并对合金粉末进行了180°C/10小时的人工时效处理以实现微观结构稳定。其次，利用配备有能谱仪（EDS）和电子背散射衍射（EBSD）系统的扫描电子显微镜（SEM）对粉末颗粒的形貌、成分分布、晶粒取向、晶界特征及相分布进行了全面表征。最后，基于共格点阵（CSL）模型构建了六种代表性晶界的原子模型，并采用第一性原理计算（基于VASP软件包）量化了锂在不同晶界位点上的偏析能，从能量角度揭示了锂的偏析倾向与位点选择性。
3.1. 粉末颗粒的微观结构特征
通过SEM和EDS分析发现，纯Al粉末和Al-Li合金粉末均呈现出高度球形化形貌。添加Li使合金粉末的平均粒径略微减小（约17微米 vs. 纯Al的20微米），且颗粒表面出现更细微的纹理，这归因于Li对凝固行为的影响。相关结果可见于展示粉末形貌、元素分布及粒径分布的图表中。
3.2. 纯Al晶粒的微观结构特征
对纯Al粉末的EBSD分析表明，其内部主要由等轴晶组成，晶体取向随机，晶内取向均匀性高（GOS值低），平均晶粒尺寸约3.6微米。晶界分析识别出Σ3(121)、Σ5(310)等少数几种CSL晶界，但微观结构仍以大量无法归类的高角晶界为主，表明快速凝固过程形成了较为复杂的晶界结构。晶界分布图直观展示了这一特征。 10°), white solid lines represent low-angle GBs (misorientation ≤ 10°), and colored solid lines mark CSL GBs that satisfy specific criteria.">
3.3. Al-Li合金晶粒的微观结构特征
Al-Li合金粉末同样以等轴晶为主，但与纯Al相比，出现了沿特定晶体学方向的弱织构，且晶内取向均匀性略有下降，晶粒尺寸分布更宽，表现出更不均匀的晶粒生长。相分布图清晰地显示，Li元素主要富集在晶界及三叉晶界处，晶内分布稀疏，呈现出“界面富集、晶内稀疏”的典型偏析模式。研究观察到Li优先在Σ3(121)、Σ7(213)等CSL晶界偏析。 10°), white solid lines represent low-angle GBs (≤10°), and colored lines mark the identified CSL boundaries.">
3.4. 人工时效后Al-Li合金的晶粒微观结构特征
经过180°C/10小时的人工时效处理后，Al-Li合金粉末的晶粒取向分布趋于均匀，弱织构倾向减弱，晶粒尺寸分布变窄，表明时效处理促进了微观结构的均质化。与此同时，相分布图显示，Li在晶界和晶界交汇处的偏析更加明显，形成了沿晶界连续的富Li带。Li优先在Σ3(121)、Σ5(310)、Σ7(213)等CSL晶界偏析和析出。
3.5. Li在铝合金晶界偏析的第一性原理计算结果
为从原子尺度理解偏析机制，研究构建了Σ3(121)、Σ5(310)、Σ7(213)等六种CSL晶界模型进行第一性原理计算。计算发现，Li在不同晶界及其不同位点上的偏析能存在显著差异，表现出强烈的位点选择性。其中，Σ5(310)晶界对Li的亲和力最强（最低偏析能为-0.16 eV），其次是Σ17(410)和Σ7(213)，而Σ27(115)晶界对Li偏析在能量上不利（偏析能为正值）。这一计算结果与实验中观察到的Li在Σ5(310)等晶界富集、而在Σ27(115)晶界无富集的现象高度吻合。计算所用的晶界原子模型及偏析能对比图清晰地阐述了这一结论。
本研究通过综合实验与理论计算，揭示了气体雾化铝锂合金粉末中锂元素的微观偏析行为与机制。主要结论包括：第一，锂的添加细化了粉末粒径，但使得凝固组织更不均匀，表现为弱织构和晶内取向差增加，说明锂阻碍了快速凝固过程中的再结晶。第二，人工时效处理能够促进Al-Li合金微观结构的均质化，提升晶界稳定性。第三，锂表现出强烈的界面驱动偏析行为，优先富集于晶界及三叉晶界，为第二相的形核和界面演化提供了有利位点。第四，第一性原理计算定量揭示了锂偏析对晶界类型的高度选择性，明确了Σ5(310)晶界具有最强的锂捕获能力。
这项研究的重要意义在于，它首次通过系统的EBSD晶界表征与第一性原理计算相结合，定量阐明了锂在不同类型CSL晶界上的偏析倾向与能量学规律，将实验观测与原子尺度机理紧密联系起来。研究成果不仅深化了对铝锂合金中溶质偏析行为的科学认识，而且为通过精准调控晶界特征（如促进或抑制特定CSL晶界形成）和优化热处理工艺（如控制时效参数以管理锂的扩散与偏析）来改善铝锂合金的微观结构稳定性与力学性能提供了关键的理论依据和实验支持，对于推动高性能轻量化铝锂合金在航空航天等领域的应用具有重要的指导价值。
