通过多尺度缺陷结构耦合策略，设计具有富氧纳米区的的高性能铝合金

《Acta Materialia》：Designing high-performance aluminum with oxygen-rich nanozones via a multi-scale defect-structure coupling strategy

多尺度缺陷结构设计及氧富集纳米区调控实现铝材高温低温综合力学性能突破，其强度达415-553 MPa，延伸率7-14%，通过复合加工工艺解决传统SAP铝的冶金结合差、孔隙多、塑性低问题。

　　

季鹏飞|唐华国|李波|张有健|宋琳|方震|张旭贵|吴旭|王伦宁|刘伟民|乔珠辉

中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室，中国兰州 730000

摘要

轻质高性能铝合金正成为钛合金和钢材在苛刻结构应用中的有前景的替代品。然而，传统高强度铝合金在高温下的结构不稳定性和性能限制了其发展和应用。本研究提出了一种创新的金属设计策略，开发出具有富氧纳米区的改性烧结铝粉（MSAP）铝。我们设计的MSAP铝在室温下的抗拉强度高达约415-553 MPa，总伸长率约为7-14%。此外，它在高温（623 K至723 K之间约为101-163 MPa）和低温（77 K时约为840 MPa）条件下均表现出优异的强度，显著优于传统的高强度铝合金。加工过程中原位形成的多尺度缺陷结构对提高机械性能和热稳定性起到了关键作用。这项研究为开发能够承受日益苛刻服役环境的高级金属材料提供了一种新的材料设计策略。

引言

在过去的一个世纪里，由于铝及其合金具有低成本、轻质、高导电性、出色的比强度和耐腐蚀性，它们已成为使用最广泛的有色金属材料[[1], [2], [3], [4]]。当前研究的一个重点是将铝合金应用于替代高成本的钛合金和高密度钢材，尤其是在极端服役环境中，例如中温应用（473-723 K）和低温应用（77-219 K）[[5], [6], [7], [8]]。然而，对于传统的高强度铝合金来说，主要问题是在高温下长时间加热时微观结构的不稳定性，包括α-Al晶粒的快速粗化和沉淀物的逐渐弱化，以及在低温下的强度下降[6,9,10]。

为了进一步完善轻量化策略，除了提高铝及其合金在室温下的机械性能外，还通过微观结构优化来改善其在极端环境下的服役性能[11,12]。例如，通过间隙溶质稳定化策略，在Sc添加的Al-Cu-Mg-Ag合金中，由于纳米AlN和亚微米Al₂O₃颗粒的均匀分布，该合金在673 K时表现出优异的蠕变抗力和约100 MPa的拉伸强度，从而产生了高度稳定的相干纳米沉淀物[11]。Al-0.9Cu基复合材料由于纳米AlN和亚微米Al₂O₃颗粒对位错运动和晶界滑动的强烈钉扎作用，在623 K时达到了187 MPa的显著强度和优异的热稳定性[12]。自20世纪40年代以来，已经开发出了烧结铝粉（SAP）技术，通过高能球磨和粉末固结工艺，利用铝粉表面约3纳米厚的天然氧化层中的Al₂O₃实现高强度SAP铝[13], [14], [15], [16], [17]]。SAP铝即使在长时间的高温暴露下，也表现出卓越的强度、蠕变行为和微观结构稳定性[13,16,18]。然而，从材料本身的角度来看，从上个世纪到现在，阻碍SAP铝广泛应用的主要问题包括：（i）单个粉末颗粒之间的冶金结合力弱；（ii）基体中的孔隙；（iii）塑性较差。通常，使用纯铝粉合成的SAP铝也无法克服强度与伸长率之间的矛盾：如果其强度超过400 MPa，其总伸长率通常低于4%[14,19]。因此，解决SAP铝的固有局限性，特别是在保持其优异强度和热稳定性的同时提高总伸长率，仍然是进一步发展和广泛应用SAP基材料的关键挑战。

在这项工作中，我们开发了一种新的加工方法来制备具有多尺度缺陷结构的改性SAP（MSAP）铝，该方法在传统SAP制备技术的基础上改进了其微观结构和机械性能。MSAP铝材料在77 K至723 K的宽温度范围内表现出超高的强度，显著超过了传统高强度铝合金。值得注意的是，它还表现出优异的热稳定性，这一点通过长期热暴露实验得到了验证。我们对MSAP铝的微观结构和机械性能进行了系统研究，重点从理论上阐明了强化机制和微观结构演变过程。因此，这项工作为高性能铝材料的设计提供了一种新的策略和技术途径，以满足现代工程应用日益严格的服务要求。

材料制备

高性能MSAP铝是通过高能球磨（HEBM）、高温压固（HTPC）、热变形（ATD）、冷变形（ACD）和随后的热处理（AHT）复合工艺合成的（图S1）。制备过程中使用的原材料仅为球形纯Al粉末（380目，纯度约99.9%）。首先，将5公斤Al粉末放入不锈钢罐中，使用振动球磨机（ZDM-20）进行高能球磨

高性能MSAP铝的机械性能

我们提出了一种新的加工方法来制备改性MSAP铝，通过热变形、冷变形和随后的热处理相结合，改善了SAP铝的冶金结合力、孔隙率和机械性能。图1a显示了MSAP铝在室温下的代表性单轴拉伸性能，与SAP铝相比，MSAP铝表现出优异的拉伸强度-伸长率协同性。经过ATD、ACD和AHT处理后，我们设计的MSAP铝...

富氧纳米区和堆垛错位形成机制的分析

Al粉末表面自然覆盖着一层厚度约为3纳米的非晶氧化层[26]。在HEBM过程中，这层非晶氧化层不可避免地会被破坏并引入Al基体中。球磨过程中的连续冲击促进了Al原子向非晶氧化层的扩散，或引发了氧化层与Al原子之间的反应，从而形成了富氧纳米区。FCC晶体中SFs的形成...

结论

总之，我们提出了一种基于SAP铝的创新金属设计策略，开发出了在宽温度范围内具有优异机械性能的MSAP铝。后续处理的优化有效消除了SAP铝中的结构缺陷，显著提高了MSAP铝的总伸长率。制备过程中原位形成的高密度SFs和富氧纳米区在赋予...

作者贡献声明

季鹏飞：撰写——原始草稿、可视化、方法论、研究、形式分析、概念化。唐华国：撰写——审稿与编辑、验证、资源获取、方法论、资金申请、数据管理。李波：监督、软件开发、方法论、研究、形式分析、数据管理。张有健：可视化、验证、软件开发、方法论、形式分析。宋琳：验证、软件开发、资源管理、数据管理。方震：验证、软件开发...