纳米团簇介导的溶质稳定与切过-绕过协同强化机制：突破高合金化铝锂材料成分偏析瓶颈

《Advanced Science》：Cluster-Mediated Solute Stabilization and Shear-Bypass Synergistic Strengthening in High-Alloyed Systems

在双辊铸造(TRC)这一对成分偏析敏感的子快速凝固工艺中，研究者发现具有高溶质容忍度的纳米团簇能够有效缓解2060铝锂合金(Al-Li)中的成分偏析，并揭示了“切过-绕过”协同强化新机制。该机制使材料在保持高强度的同时显著提升了塑性，为制造高强度高韧性航空航天用铝合金提供了新的工艺设计和理论模型。

　　

在当代金属材料设计中，高合金含量与多相协同强化已成为提升性能的关键策略。然而，在高合金化体系（如铝锂合金）中，不同溶质元素的扩散差异导致的成分偏析是制约其发展的重大挑战。本项研究以2060铝锂合金这一典型高合金体系为研究对象，利用对偏析敏感的双辊铸造(TRC)工艺进行制备，并通过定制的溶质场模型分析其偏析行为。研究结果揭示了具有高溶质容忍度的纳米团簇可有效降低偏析导致的性能退化，从而在强度和塑性上实现显著提升，强度提升了18.7%，伸长率提升了41.5%。此外，研究还鉴定出一种新的“切过-绕过”协同强化机制。

引言：高合金体系（如Al-Li合金）在追求轻量化、高强度、韧性和多功能性的同时，面临着因溶质扩散行为差异引起的严重成分偏析和微观结构不稳定性难题。子快速凝固技术，特别是结合了短流程、低成本优势的双辊铸造(TRC)，是解决此难题的潜在方案。但TRC工艺本身仍会诱发复杂的宏观偏析现象，如应力诱导偏析和溶质通道。尽管存在均质化、大尺度变形等传统缓解方法，但这些方法各有其局限性。相比之下，纳米级团簇在通过简单热处理调控下，展现出独特的溶质容忍优势，尤其适用于管理高合金Al-Li体系中的成分不均匀性。

材料与方法：本研究采用双辊铸造(TRC)和传统水冷铜模铸造(MC)两种工艺制备了成分为Al-3.95Cu-0.75Li-0.85Mg-0.4Zn-0.3Mn-0.25Ag-0.11Zr (wt.%)的2060铝锂合金。对TRC样品施加了三种不同的时效处理以获得不同的析出状态：第一峰时效(FA, 155°C/35 h)、第二峰时效(SA, 155°C/46 h)和过时效(OA, 155°C/60 h)。微观结构表征采用了电子探针显微分析仪(EPMA)、电子背散射衍射(EBSD)、透射电子显微镜(TEM)和原子探针断层扫描(APT)等多种技术。力学性能通过维氏硬度测试和室温拉伸试验进行评估。此外，建立了基于体积平均法的溶质场连续模型，以模拟TRC熔池中的溶质分布。

结果与讨论：在TRC过程中，快速冷却虽然细化了固液界面处的微观结构，但也显著缩短了溶质扩散的可用时间，导致溶质在两相区积累和偏析。通过优化工艺窗口（采用1.05 m/min的低速铸造策略）并结合定制的溶质场模型，研究定量揭示了铜(Cu)等快扩散溶质在中心线富集的典型宏观偏析特征。模拟结果与实际微观结构观察高度一致。偏析导致后续时效行为异常，硬度曲线呈现出独特的双峰特征。透射电镜分析表明，第一峰时效(FA)样品主要由纳米团簇主导，而第二峰时效(SA)样品则以针状T₁相为主，过时效(OA)样品则出现粗化的T₁相。FA样品中的团簇具有高溶质容忍度，能够在成分不均匀的富溶质和贫溶质区域保持结构稳定性。相比之下，SA样品中的T₁相在富溶质区易发生粗化或相变，在贫溶质区则数量稀少，稳定性差。

力学性能测试证实，在偏析敏感的组织中，FA样品实现了强度与塑性的协同提升，其抗拉强度达到584.0 MPa，伸长率为9.2%，分别比SA样品提高了18.7%和41.5。值得注意的是，尽管存在偏析遗传，FA样品的强度水平仍能与微观结构均匀的MC样品基准相当。数字图像相关(DIC)分析显示，FA样品表现出更均匀的应变分布，而SA样品则因T₁相析出不均导致局部应变集中和早期断裂。

EBSD分析进一步揭示了FA样品具有更优异的塑性变形能力。拉伸后，FA样品的平均等效晶粒尺寸和KAM值均显著大于SA样品，表明其发生了更显著的塑性变形和位错积累。对高变形区域的分析表明，FA样品中多滑移系的激活以及晶界间有利的滑移系取向促进了位错的协调运动和传递，从而提升了塑性。理论分析指出，与针状相相比，纳米团簇具有更低的位错运动激活能和更小的激活体积，更易充当位错增殖的起始点，促进协同运动。

切过-绕过协同强化机制：透射电镜观察揭示了FA样品中位错与纳米团簇相互作用的独特机制。与传统T₁相主要通过位错切过机制强化不同，纳米团簇与位错的交互呈现出复杂的混合行为：位错既能在团簇周围形成环绕的奥罗万(Orowan)环，也能切过团簇内部。这种动态相互作用被称为“切过-绕过”协同强化机制。该机制始于位错与团簇接触时的低能切过阶段，随着接触面积增大，切过的能量壁垒最终与绕过的能量壁垒达到平衡，触发向绕过机制的转变。通过模型计算，确定了从切过到绕过的临界团簇半径约为1.6 nm。在FA样品中，切过强化贡献约为29.7 MPa，而绕过强化贡献高达151 MPa，二者叠加的总强化效果远超SA样品中T₁相通过切过提供的80.2 MPa强化贡献。这一差异与观测到的92.4 MPa抗拉强度差吻合良好，证实了该协同机制在提升材料强度方面的有效性。

原子探针断层扫描(APT)的原子尺度表征为团簇特性提供了精确的定量依据。分析显示，FA样品中的团簇平均等效直径仅为2.15 ± 0.49 nm，数量密度极高，约为1.26 × 10²⁴m^?3。成分剖面图定量证实，团簇核心显著富集Cu和Mg，并含有大量的Li，属于多组元Cu-Mg-Li共格团簇。这些高密度、细小的共格团簇能够通过其广泛的共格应变场有效阻碍位错运动，同时其固有的可剪切性又能防止位错在偏析带严重塞积导致早期开裂。这种“溶质容忍策略”成功地在严重成分不均匀的TRC Al-Li合金中，通过团簇介导的强化，实现了强度与塑性的协同优化。

结论：本研究揭示了纳米团簇的“切过-绕过”协同强化新机制，该机制独特地结合了两种强化模式的优点，使材料在抗拉强度提升18.7%的同时，伸长率提升了41.5%。研究表明，在子快速凝固形成的偏析敏感微观结构中，通过调控形成纳米团簇是一种缓解成分偏析负面影响的有效策略。这项研究为优化双辊铸造(TRC)工艺、制造高性能航空航天用铝锂合金提供了关键的技术和理论基础。所提出的团簇介导强化策略，为管理其他成分复杂合金中的偏析诱导性能退化提供了新的思路。