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2月26日，北京理工大學材料學院博士生薛程鵬提出一種利用獨特的多層核殼結構納米析出相增強鋁鋰合金力學性能的策略，突破了傳統鑄造鋁鋰合金強度低的難題。研究發現了一種獨特的富Li多層核殼結構納米析出相，該析出相在時效態穩定存在且以高體積分數析出，通過沉淀強化使鑄造鋁鋰合金的抗拉強度提升至接近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”為封面文章發表在國際頂級期刊Nano Letters上，北京理工大學博士研究生薛程鵬為本文第一作者，北京理工大學為唯一通訊單位，合作單位有中國散裂中子源（CSNS）、遼寧材料實驗室(LAM)、和澳大利亞昆士蘭大學等研究機構。

圖1 鑄造鋁鋰合金中超高強多層核殼結構析出相

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）、比強度比剛度高，已經在航空航天等獲得大范圍應用，但是變形加工價格昂貴、冷加工周期長造成其民用領域推廣困難，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應用于低空經濟、未來智能網聯交通運輸等領域，本文發明了工藝流程短、成本低的鑄造鋁鋰合金，強度水平媲美傳統變形鋁鋰合金。本研究提出了新型納米析出相結構，解決了傳統析出相的各種弊端，例如第二代鋁鋰合金強化相d￠-Al₃Li不抗剪切缺點，以及塑性變形過程中共面滑移導致不均勻變形和晶界應力集中所致沿晶開裂和脆性問題；第三代鋁鋰合金強化相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，傳統核殼結構析出相在鋁鋰合金中不能穩定存在，隨著時效時間的延長則會轉變為非核殼結構析出相，這種析出相結構轉變降低鋁鋰合金力學性能。因此，本文發現的一種穩定的、低形核勢壘的多層核殼結構共格納米析出相為第四代鋁鋰合金研制另辟蹊徑。

圖2 多層核殼結構析出相的成分、結構剖析及其生長動力學的量化

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構析出相。通過HAADF-STEM、APT以及SANS多種表征手段揭示了其結構、成分和生長動力學，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多層核殼結構析出相，并且發現這種析出相生長動力學緩慢，具有極高的抗粗化能力以及高體積分數析出的優點，通過沉淀強化對屈服強度的貢獻達到85%，最終使鑄造的鋁鋰合金抗拉強度達到493.2 MPa。其強度超過了幾乎所有以Al-Li-Cu、Al-Li-Mg和Al-Li-Cu-Sc為基礎的鑄造工程合金，奠定了適用于短流程、低成本新質生產力制造領域高強度輕質合金材料的基石。

圖3 多層核殼結構析出相通過沉淀強化實現的鋁鋰合金力學性能與其它鋁鋰合金力學性能的對比

進一步地，研究團隊基于DFT計算揭示了多層核殼結構的形成機制。利用 APT 表征的多層核殼結構析出相的化學成分，構建了它們各自的特殊準隨機結構 (SQS) 超胞，通過偏析能計算確定的不同溶質原子 N （其中 N 代表 Zr、Ti、Ag 和 Zn）在 δ′/α-Al 界面附近的優先分布。發現Ti和Zr更傾向于占據δ′相中的Li的位點，而Ag和Zn則傾向于占據Al的位點。

圖4 多層核殼結構析出相的原子占位、結構以及模型：（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的偏析能ΔE_seg，右側的灰色原子說明了X原子在α-Al的位點上的占據情況。在此，根據與界面平面的距離標注了晶格平面，（c）包含核心層（CL）、中間層（ML）和外殼層（SL）的多層核殼結構析出相示意圖，以及各自的化學成分，（d，e）CL和ML部分的SQS模型，（e）SQS模型中組成原子的化學短程有序（SRO）參數的計算結果

最后，研究團隊基于DFT計算闡明了多層核殼結構的穩定機制。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的平均界面能和應變能，考慮了不同的界面終端。分析表明，CL/α的界面能超過ML/α，從而導致在鋁合金中ML比CL優先析出。同樣，CL/δ′的界面能略高于ML/δ′，這意味著ML可以潤濕CL/δ′形成復合析出。值得注意的是，在所研究的界面結構中，與CL/ML界面相關的界面能和應變能都是最低的。因此，可以推斷形成這種復雜的多層核殼結構是熱力學上最有利的構型。δ′-Al₃Li的臨界形核半徑（R*）在573 K時的預測值為5.54 ?，這一計算值接近與之前在相同溫度下的4.14 ?，ΔG_V（-7.33 meV/atom）的相應計算值也接近于-8.78 meV/atom。雖然與δ′相比，振動熵對CL和ML的ΔG_V的影響較弱，但CL和ML相對于它們的共晶溶液的較大的ΔG_V導致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的性質以及由它們組成的多層核殼結構析出相。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構的形核自由能與析出半徑的計算結果。最引人注目的發現是，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，四種候選結構的相對穩定性幾乎都遵循相同的多層核殼結構排序：δ′/ML（CL）> ML（CL）> 分離的ML和CL > CL（ML）。事實上，對于不同的CL和ML含量比，計算結果也是一致的。當溫度升高到773 K時，四種結構的形成能量幾乎相同，這表明不同的結構可能共存。換句話說，對于尺寸小于2 nm的析出相來說，不存在占主導地位的結構類型。對于尺寸大于2 nm較大的大多數核殼結構析出相，多層核殼δ′/ML（CL）結構的形成能量要低得多。因此，在所有L1₂結構的析出相中，這種結構將占主導地位。

圖5 不同核殼結構析出相的界面能、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ΔG_V（meV/atom）、臨界形核半徑R*（?）和臨界形核功ΔG（R*）（×10^-20 J）的計算結果，(g-i）在不同析出溫度下，核殼結構、多層核殼結構和分離結構的總形成能與析出半徑的關系，紫色曲線表示多層核殼δ′/ML（CL）結構，綠色曲線表示核殼ML（CL）結構，紅色曲線表示兩個分離的ML和CL結構，藍色曲線表示核殼CL（ML）結構。

圖6 在不同的析出溫度和CL/ML原子比下，核殼結構和分離結構的總形核自由能與析出半徑的關系。紅色曲線表示兩個分離的ML和CL結構，綠色曲線表示核殼ML（CL）結構，藍色曲線表示核殼CL（ML）結構

綜上所述，研究團隊提出了一種新型穩定強的多層核殼納米結構析出相強化鋁鋰合金力學性能的策略，將鋁鋰合金加工成本、加工周期降低一半以上，力學性能提升將近2倍，滿足未來交通對輕量化材料技術的需求。論文新發現的超強多層核殼結構析出相是一種獨特的富Li、共格、納米級單核雙殼析出相（L1₂結構），這與之前報道的傳統核殼結構不同，這種復雜的多層核殼結構既具有低錯配誘導成核的優點，又具有在使用條件下高度穩定的特性。與傳統的核殼結構相比，這種復雜的核殼結構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度接近500 MPa。這種原創性調控思路為開發低成本、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，北京理工大學材料學院2019級博士研究生，師從王俊升教授，研究方向為航空航天用高強高剛度鋁鋰合金組織性能調控。曾獲得博士研究生國家獎學金、北京理工大學優秀博士學位育苗基金、第49屆日內瓦發明銀獎、北京理工大學特等學業獎學金、北京理工大學優秀研究生、優秀共青團員以及優秀學生干部等獎勵和榮譽。

王俊升，教授、博士生導師，高層次人才，長期從事航空航天輕質合金設計與智能制造工藝開發，主持重點研發、自然基金重點、面上等項目，探索了高性能輕質合金微觀組織調控新方法，發明了一系列高強、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，幫助企業突破了一系列智能制造難題，受到行業內認可，擔任《北京理工大學學報（英文版）》《航空制造技術》《特種鑄造及有色合金》《材料熱處理學報》編委；中國有色金屬學會材料科學與工程學術委員會委員、第六、七屆“材料基因工程高層次論壇”組委等；培養的博士生連續獲得北京理工大學、北京市優秀畢業生等榮譽。