导读：本文在Al-Cu-Mg-Ag合金中加入Sc后，在高温下富集Cu的纳米沉淀相发生原位相变，Sc原子扩散并占据其间隙位置。转化后的纳米沉淀物在保持大体积分数的同时提高了热稳定性，这两种微观结构特征使铝合金具有高达400°C的抗蠕变强度。

铝作为一种轻而软的金属，享有实至名归的美誉。为了强化铝，冶金学家使用合金化和工艺参数改进来获得理想的沉淀分布，以强化金属基体。虽然铝合金继续取代较重的合金，例如用于一般环境温度应用的钢，但对可在更高温度(250-400°C)下使用的轻合金有强烈的需求。然而，市售铝合金的耐温能力有限(约200°C)，因为很难实现同时具有高体积分数和高热稳定性的沉淀，而这对于在高温下实现有效沉淀硬化至关重要。现在，薛及其同事在《nature materials》杂志上撰文指出，在添加了Sc的Al-Cu-Mg-Ag合金中，缓慢扩散的Sc溶质自组织进入预先存在的高密度相干富Cu纳米沉淀物(Ω-phase)的间隙位点，形成热稳定的v相纳米沉淀物。

为了沉淀强化，合金需要在基体中溶解一种或多种溶质，然后通过热处理计划将其析出。铝在这方面是一种不友好的元素，它只能溶解足够数量的少量其他元素，这些元素是相对快速扩散的元素(图1a)。与这些元素形成的沉淀物在250-400°C温度范围内倾向于溶解、变粗或转变为不是有效增强剂的相。相反，扩散缓慢的元素在400°C时可以形成相对稳定的沉淀物，但在铝中的溶解度较低，无法形成足够数量(或体积分数)的沉淀物进行有效强化(图1a)。

以往克服这一矛盾环境设计高温铝合金的方法包括将低迁移率元素(如Zr、Hf和Sc)分离到高溶解性元素(如Cu和Zn)形成的析出相界面。然而，界面稳定方法在超过350°C的温度下变得越来越难以维持，因为即使是缓慢移动的元素的扩散率也会随着温度呈指数级增长。为了解决这个问题，薛和同事们展示了一种间隙溶质稳定策略，在Sc添加的Al-Cu-Mg-Ag合金中产生耐热的v相纳米沉淀相。

v相纳米沉淀物的形成机制出乎意料。在相对较低的时效温度(185℃)下，形成了由高溶解度Cu原子组成的Ω (Al2Cu)析出相，类似于无Sc合金。Sc原子最初以溶质的形式存在于铝基体中。在Ω析出相的相干界面分离的Mg和Ag原子可以形成Sc原子进入析出相的屏障。但当暴露于更高的温度(400°C)时，Sc原子通过Ω平面上的相干凸缘进入，并沉积在Ω析出相的间隙位置，形成v相，夹在残余Ω析出相之间(图1b-d)。因此，单个Ω平面可以转化为一排v相粒子。根据密度泛函理论，在Al-Cu合金体系中，v相的每原子形成能几乎是常见亚稳相Ω和θ′的两倍。在400℃时，v相的抗粗化性能表现为优异的抗蠕变性能和拉伸力学性能

在此，美国田纳西州橡树岭国家实验室的Amit Shyam和Sumit Bahl，简单概述了Sc元素对形成v相纳米沉淀相的作用。由此产生的铝合金在400°C时达到了前所未有的高强度和抗蠕变性能，这大约是其绝对熔点的80%。同时，对薛研究存在的部分问题进行了合理质疑，概况了该方向未来发展的挑战和前景。相关研究成果以题“Heat-resistant aluminium alloys”发表在材料顶刊nature materials上。

链接：https://doi.org/10.1038/s41563-022-01436-6

图1 凸缘辅助的原位相变将缓慢扩散的Sc溶质组装到富Cu相干Ω纳米沉淀中，形成高密度、热稳定的v相纳米沉淀物。a，铝合金中典型溶质的过量固溶度(定义为400℃时最大固溶度Cmax和固溶度C400之间的差值)与400℃时它们在铝基体中的扩散率的比较图。b，高角度环形暗场扫描透射电子显微镜(HAADF-STEM)图像，对应的快速傅里叶变换图像(右上)，叠加元素图(右中)和晶体结构(右下)的v相沿其[010]区域轴观察。在晶体结构模型中，Al原子为绿色，Cu原子为红色，Sc原子为蓝色。c, HAADF-STEM图像，原位转化的v沉淀夹在Ω沉淀相模板的残余物之间。CL，一致的凸缘。d，示意图显示了添加了原位相变以形成V相沉淀的凸缘。

在镍合金、铜合金、钛合金和钢等常见合金体系中，都存在由凸缘机制生长的相干片状析出相。因此，薛及其同事所概述的合金设计策略也指出了进一步改进合金的机会，即通过相干壁架吸收原子来辅助原位相变。虽然作者很好地描述了v相的形成机制，但仍然存在一些问题，例如为什么Sc原子一旦进入Ω平面，就会扩散到狭窄的通道中，为什么尽管它们的尺寸比Al和Cu原子都大，但它们还是选择了一个间隙位置(常见的间隙固溶体有较小的原子占据间隙位置，例如钢中的碳原子)，相干凸缘的什么特征使它们更有利于溶质的吸收而不是界面上的分离。此外，v相纳米沉淀物热稳定性的机理需要在经典粗化理论的框架下进一步阐明，或者与经典方法的偏差原因。进一步的研究可能会加深对机理的理解，并利用这种方法在其他合金体系中设计具有更好温度能力的纳米沉淀物。火车、飞机、汽车和宇宙飞船需要合金在更接近其熔化温度的情况下工作，从长远来看将会受益。