北理工團(tuán)隊(duì)在“超高強(qiáng)多層核殼納米結(jié)構(gòu)增強(qiáng)鋁鋰合金鑄件”領(lǐng)域取得重要突破
發(fā)布日期：2025-02-28 供稿：材料學(xué)院 薛程鵬 攝影：材料學(xué)院
編輯：牟雪嬌 審核：程興旺 閱讀次數(shù)：2月26日,，北京理工大學(xué)材料學(xué)院博士生薛程鵬提出一種利用獨(dú)特的多層核殼結(jié)構(gòu)納米析出相增強(qiáng)鋁鋰合金力學(xué)性能的策略，突破了傳統(tǒng)鑄造鋁鋰合金強(qiáng)度低的難題,。研究發(fā)現(xiàn)了一種獨(dú)特的富Li多層核殼結(jié)構(gòu)納米析出相，該析出相在時效態(tài)穩(wěn)定存在且以高體積分?jǐn)?shù)析出,，通過沉淀強(qiáng)化使鑄造鋁鋰合金的抗拉強(qiáng)度提升至接近500 MPa,，可替代大部分變形鋁鋰合金。該研究成果以“An Ultrastrong Multilayer Core-Shell Nanostructure in Aluminum-Lithium Castings”為封面文章發(fā)表在國際頂級期刊Nano Letters上,，北京理工大學(xué)博士研究生薛程鵬為本文第一作者,，北京理工大學(xué)為唯一通訊單位，合作單位有中國散裂中子源（CSNS）,、遼寧材料實(shí)驗(yàn)室(LAM),、和澳大利亞昆士蘭大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)。
圖1 鑄造鋁鋰合金中超高強(qiáng)多層核殼結(jié)構(gòu)析出相
鋁鋰合金由于加入較多輕元素Li,，使其具有密度低（僅為其它鋁合金的80%,，鋼、銅合金的1/3）,、比強(qiáng)度比剛度高,，已經(jīng)在航空航天等獲得大范圍應(yīng)用，但是變形加工價格昂貴,、冷加工周期長造成其民用領(lǐng)域推廣困難,，比如低空飛行器減重、新能源汽車輕量化等,。為了將航空航天用變形鋁鋰技術(shù)應(yīng)用于低空經(jīng)濟(jì),、未來智能網(wǎng)聯(lián)交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域，本文發(fā)明了工藝流程短,、成本低的鑄造鋁鋰合金,，強(qiáng)度水平媲美傳統(tǒng)變形鋁鋰合金。本研究提出了新型納米析出相結(jié)構(gòu),，解決了傳統(tǒng)析出相的各種弊端,，例如第二代鋁鋰合金強(qiáng)化相d￠-Al3Li不抗剪切缺點(diǎn)，以及塑性變形過程中共面滑移導(dǎo)致不均勻變形和晶界應(yīng)力集中所致沿晶開裂和脆性問題,；第三代鋁鋰合金強(qiáng)化相T1-Al2CuLi和θ′-Al2Cu相形核能壘高,，晶界無析出帶所致脆性斷裂。同時,，傳統(tǒng)核殼結(jié)構(gòu)析出相在鋁鋰合金中不能穩(wěn)定存在,，隨著時效時間的延長則會轉(zhuǎn)變?yōu)榉呛藲そY(jié)構(gòu)析出相，這種析出相結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變降低鋁鋰合金力學(xué)性能,。因此,，本文發(fā)現(xiàn)的一種穩(wěn)定的,、低形核勢壘的多層核殼結(jié)構(gòu)共格納米析出相為第四代鋁鋰合金研制另辟蹊徑。
圖2 多層核殼結(jié)構(gòu)析出相的成分,、結(jié)構(gòu)剖析及其生長動力學(xué)的量化
論文通過在Al-Li-Cu-Mg-Zn-Ti-Zr-Ag合金中控制不同Li,、Cu含量，在175 ℃時效12 h形成了一種多層核殼結(jié)構(gòu)析出相,。通過HAADF-STEM,、APT以及SANS多種表征手段揭示了其結(jié)構(gòu)、成分和生長動力學(xué),，表明該析出相是以Al3Zr-Al3Ti作為核心層,，富Ag-Zn作為中心層，Al3Li作為最外層的富Li多層核殼結(jié)構(gòu)析出相,，并且發(fā)現(xiàn)這種析出相生長動力學(xué)緩慢,，具有極高的抗粗化能力以及高體積分?jǐn)?shù)析出的優(yōu)點(diǎn)，通過沉淀強(qiáng)化對屈服強(qiáng)度的貢獻(xiàn)達(dá)到85%,，最終使鑄造的鋁鋰合金抗拉強(qiáng)度達(dá)到493.2 MPa,。其強(qiáng)度超過了幾乎所有以Al-Li-Cu、Al-Li-Mg和Al-Li-Cu-Sc為基礎(chǔ)的鑄造工程合金,，奠定了適用于短流程,、低成本新質(zhì)生產(chǎn)力制造領(lǐng)域高強(qiáng)度輕質(zhì)合金材料的基石。
圖3 多層核殼結(jié)構(gòu)析出相通過沉淀強(qiáng)化實(shí)現(xiàn)的鋁鋰合金力學(xué)性能與其它鋁鋰合金力學(xué)性能的對比
進(jìn)一步地,，研究團(tuán)隊(duì)基于DFT計(jì)算揭示了多層核殼結(jié)構(gòu)的形成機(jī)制,。利用 APT 表征的多層核殼結(jié)構(gòu)析出相的化學(xué)成分，構(gòu)建了它們各自的特殊準(zhǔn)隨機(jī)結(jié)構(gòu) (SQS) 超胞,，通過偏析能計(jì)算確定的不同溶質(zhì)原子 N （其中 N 代表 Zr,、Ti、Ag 和 Zn）在 δ′/α-Al 界面附近的優(yōu)先分布,。發(fā)現(xiàn)Ti和Zr更傾向于占據(jù)δ′相中的Li的位點(diǎn),，而Ag和Zn則傾向于占據(jù)Al的位點(diǎn)。
圖4 多層核殼結(jié)構(gòu)析出相的原子占位,、結(jié)構(gòu)以及模型：（a,，b）X（X = Zr、Ti,、Ag和Zn）原子在共格(001)δ′/(001)α-Al界面占位的松弛原子模型以及相應(yīng)的偏析能ΔEseg,，右側(cè)的灰色原子說明了X原子在α-Al的位點(diǎn)上的占據(jù)情況。在此,，根據(jù)與界面平面的距離標(biāo)注了晶格平面,，（c）包含核心層（CL）、中間層（ML）和外殼層（SL）的多層核殼結(jié)構(gòu)析出相示意圖,，以及各自的化學(xué)成分,，（d，e）CL和ML部分的SQS模型,，（e）SQS模型中組成原子的化學(xué)短程有序（SRO）參數(shù)的計(jì)算結(jié)果
最后,，研究團(tuán)隊(duì)基于DFT計(jì)算闡明了多層核殼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定機(jī)制。為了確定ML/α,、CL/α,、CL/ML、ML/δ′和CL/δ′中與連接相界面的局部原子無關(guān)的平均界面能和應(yīng)變能,，考慮了不同的界面終端,。分析表明，CL/α的界面能超過ML/α,，從而導(dǎo)致在鋁合金中ML比CL優(yōu)先析出,。同樣，CL/δ′的界面能略高于ML/δ′,，這意味著ML可以潤濕CL/δ′形成復(fù)合析出,。值得注意的是，在所研究的界面結(jié)構(gòu)中,，與CL/ML界面相關(guān)的界面能和應(yīng)變能都是最低的,。因此，可以推斷形成這種復(fù)雜的多層核殼結(jié)構(gòu)是熱力學(xué)上最有利的構(gòu)型,。δ′-Al3Li的臨界形核半徑（R*）在573 K時的預(yù)測值為5.54 ?,，這一計(jì)算值接近與之前在相同溫度下的4.14 ?，ΔGV（-7.33 meV/atom）的相應(yīng)計(jì)算值也接近于-8.78 meV/atom,。雖然與δ′相比,，振動熵對CL和ML的ΔGV的影響較弱，但CL和ML相對于它們的共晶溶液的較大的ΔGV導(dǎo)致CL和ML的臨界形核半徑（R*）和臨界形核功ΔG（R*）比δ′相的小得多,，這或許可以解釋CL和ML的性質(zhì)以及由它們組成的多層核殼結(jié)構(gòu)析出相,。此外，圖5（g-i）給出了在573 K,、673 K和773 K三個典型時效溫度下各種候選結(jié)構(gòu)的形核自由能與析出半徑的計(jì)算結(jié)果,。最引人注目的發(fā)現(xiàn)是，無論溫度（以ML和CL含量相等,，即CL/ML = 1為例）和析出半徑如何,，四種候選結(jié)構(gòu)的相對穩(wěn)定性幾乎都遵循相同的多層核殼結(jié)構(gòu)排序：δ′/ML（CL）> ML（CL）> 分離的ML和CL > CL（ML）。事實(shí)上,，對于不同的CL和ML含量比,，計(jì)算結(jié)果也是一致的。當(dāng)溫度升高到773 K時,，四種結(jié)構(gòu)的形成能量幾乎相同,，這表明不同的結(jié)構(gòu)可能共存,。換句話說，對于尺寸小于2 nm的析出相來說,，不存在占主導(dǎo)地位的結(jié)構(gòu)類型,。對于尺寸大于2 nm較大的大多數(shù)核殼結(jié)構(gòu)析出相，多層核殼δ′/ML（CL）結(jié)構(gòu)的形成能量要低得多,。因此,，在所有L12結(jié)構(gòu)的析出相中，這種結(jié)構(gòu)將占主導(dǎo)地位,。
圖5 不同核殼結(jié)構(gòu)析出相的界面能,、形成能、臨界形核半徑以及臨界形核功的計(jì)算：（a）ML/CL的界面超胞示意圖,，考慮了不同界面終端的影響,，（b，c）分別為(001)ML/(001)CL的立方體對立方體方向接觸面的五個界面的界面能γ（mJ/m2）和共格應(yīng)變能ΔGcs（meV/atom）,，（d-f）CL,、ML和δ′相分別在不同溫度下的體積形成能ΔGV（meV/atom）、臨界形核半徑R*（?）和臨界形核功ΔG（R*）（×10-20 J）的計(jì)算結(jié)果,，(g-i）在不同析出溫度下,，核殼結(jié)構(gòu)、多層核殼結(jié)構(gòu)和分離結(jié)構(gòu)的總形成能與析出半徑的關(guān)系,，紫色曲線表示多層核殼δ′/ML（CL）結(jié)構(gòu),，綠色曲線表示核殼ML（CL）結(jié)構(gòu)，紅色曲線表示兩個分離的ML和CL結(jié)構(gòu),，藍(lán)色曲線表示核殼CL（ML）結(jié)構(gòu),。
圖6 在不同的析出溫度和CL/ML原子比下，核殼結(jié)構(gòu)和分離結(jié)構(gòu)的總形核自由能與析出半徑的關(guān)系,。紅色曲線表示兩個分離的ML和CL結(jié)構(gòu),，綠色曲線表示核殼ML（CL）結(jié)構(gòu)，藍(lán)色曲線表示核殼CL（ML）結(jié)構(gòu)
綜上所述,，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種新型穩(wěn)定強(qiáng)的多層核殼納米結(jié)構(gòu)析出相強(qiáng)化鋁鋰合金力學(xué)性能的策略,，將鋁鋰合金加工成本、加工周期降低一半以上,，力學(xué)性能提升將近2倍,，滿足未來交通對輕量化材料技術(shù)的需求。論文新發(fā)現(xiàn)的超強(qiáng)多層核殼結(jié)構(gòu)析出相是一種獨(dú)特的富Li,、共格,、納米級單核雙殼析出相（L12結(jié)構(gòu)），這與之前報道的傳統(tǒng)核殼結(jié)構(gòu)不同，這種復(fù)雜的多層核殼結(jié)構(gòu)既具有低錯配誘導(dǎo)成核的優(yōu)點(diǎn),，又具有在使用條件下高度穩(wěn)定的特性,。與傳統(tǒng)的核殼結(jié)構(gòu)相比，這種復(fù)雜的核殼結(jié)構(gòu)具有最低的臨界形核半徑和自由能,，使鑄造的鋁鋰合金抗拉強(qiáng)度接近500 MPa,。這種原創(chuàng)性調(diào)控思路為開發(fā)低成本、高性能鋁鋰合金指明了新的方向,。
文章鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c06368
附作者簡介：
薛程鵬，北京理工大學(xué)材料學(xué)院2019級博士研究生,，師從王俊升教授,，研究方向?yàn)楹娇蘸教煊酶邚?qiáng)高剛度鋁鋰合金組織性能調(diào)控。曾獲得博士研究生國家獎學(xué)金,、北京理工大學(xué)優(yōu)秀博士學(xué)位育苗基金,、第49屆日內(nèi)瓦發(fā)明銀獎、北京理工大學(xué)特等學(xué)業(yè)獎學(xué)金,、北京理工大學(xué)優(yōu)秀研究生,、優(yōu)秀共青團(tuán)員以及優(yōu)秀學(xué)生干部等獎勵和榮譽(yù)。
王俊升,，教授,、博士生導(dǎo)師，高層次人才,，長期從事航空航天輕質(zhì)合金設(shè)計(jì)與智能制造工藝開發(fā),，主持重點(diǎn)研發(fā)、自然基金重點(diǎn),、面上等項(xiàng)目,，探索了高性能輕質(zhì)合金微觀組織調(diào)控新方法，發(fā)明了一系列高強(qiáng),、高剛度,、低成本、短流程鋁鋰合金,、鎂鋰合金,、新能源汽車用鋁合金等，幫助企業(yè)突破了一系列智能制造難題,，受到行業(yè)內(nèi)認(rèn)可,，擔(dān)任《北京理工大學(xué)學(xué)報（英文版）》《航空制造技術(shù)》《特種鑄造及有色合金》《材料熱處理學(xué)報》編委；中國有色金屬學(xué)會材料科學(xué)與工程學(xué)術(shù)委員會委員,、第六,、七屆“材料基因工程高層次論壇”組委等；培養(yǎng)的博士生連續(xù)獲得北京理工大學(xué)、北京市優(yōu)秀畢業(yè)生等榮譽(yù),。
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