Замораживание атомов растворенных веществ в нанозернистых алюминиевых сплавах с помощью высоких температур.

Nature Communications, том 13, номер статьи: 3495 (2022) Цитировать эту статью

6039 Доступов

13 цитат

19 Альтметрика

Подробности о метриках

Низкотемпературное разложение пересыщенного твердого раствора на неблагоприятные межзеренные выделения является давним узким местом, ограничивающим практическое применение нанозернистых алюминиевых сплавов, полученных интенсивной пластической деформацией. Минимизация концентрации вакансий обычно рассматривается как эффективный подход к подавлению процесса распада. Здесь мы сообщаем о противоречивой стратегии стабилизации пересыщенного твердого раствора в нанозернистых сплавах Al-Cu с помощью вакансий высокой плотности в сочетании с микролегированием скандия. За счет создания на два порядка большей концентрации вакансий, связанных в прочных (Cu, Sc, вакансиях) атомных комплексах, в сплаве Al-Cu-Sc достигается высокая термическая стабильность, при которой выделение практически подавляется до ~230°. С. Комплексы растворенное вещество-вакансия также позволяют получать нанозернистые сплавы Al-Cu с более высокой прочностью, большей способностью к деформационному упрочнению и пластичностью. Эти результаты открывают перспективы для больших возможностей взаимодействия растворенного вещества и вакансии и разработки нанозернистых сплавов с высокой стабильностью и хорошими механическими свойствами.

Будучи важным фазовым превращением, в первую очередь ориентированным на металлические материалы, осаждение в твердом состоянии позволяет настраивать микроструктуру в различных масштабах и оптимизировать свойства в соответствии с различными требованиями1,2. Исследования осаждения в твердом состоянии в течение последних нескольких десятилетий следовали по траектории искусственного контроля, что было хорошо продемонстрировано как на конструкционных сплавах (например, высокопрочных алюминиевых сплавах3, медных сплавах4 и сталях5), так и на функциональных материалах (например, фасонных сплавах). сплавы с памятью6, магниты7 и термоэлектрики8). Общепризнано, что в кинетике осаждения преобладает атомная диффузия9,10, где вакансии играют решающую роль, особенно для легирующих элементов замещения11. Таким образом, искусственный контроль осаждения может быть достигнут за счет глубокого понимания взаимодействия между вакансиями и атомами растворенных веществ. Типичным примером является использование эффекта микролегирования в термообрабатываемых алюминиевых (Al) сплавах для регулирования характера выделения. Было обнаружено, что незначительное добавление In, Sn или Cd в сплавы Al-Cu подавляет естественное старение, одновременно способствуя осаждению при повышенных температурах12. Подавление естественного старения связано с прочной связью микролегирующего элемента (In, Sn или Cd) с вакансией. Такая прочная связь эффективно захватывает закаленные вакансии и, следовательно, сильно замедляет диффузию Cu12. Но вакансии высвобождаются при повышенных температурах, что способствует выделению осадков \({\theta }^{{\prime} }\)-Al2Cu. Аналогичное поведение выделения с теми же механизмами наблюдалось также в сплавах Al-Mg-Si, микролегированных Sn13. Недавно выделение вакансий, необходимое для выделения вакансий, было напрямую подтверждено в тщательно разработанных геометриях материалов низкой размерности, где количество вакансий либо сильно увеличивалось в количестве14 (вакансии стимулировались на поверхности нагреванием), либо полностью устранялось диффузией15 (вакансии аннигилировали на поверхности путем утончения ), что приводит к усилению или подавлению осаждения соответственно в образцах небольшого размера. Все предыдущие результаты сводились исключительно к одному и тому же выводу, что избыточные вакансии необходимы для ускорения выделения в сплавах Al.

Интенсивная пластическая деформация (ИПД) (например, кручение под высоким давлением (КВД) и равноканальное угловое прессование (РКУП)) широко применяется для создания высокопрочных объемных алюминиевых сплавов с субмикронной и наноразмерной зернистой структурой для потенциальных применений16,17 . Высокое содержание растворенных элементов имеет решающее значение для достижения сплавами нанозернистой (НГ) структуры за счет замедления восстановления и повышения прочности за счет твердения на раствор. Однако высокая деформация, приложенная во время ИПД, неизбежно приводит к образованию кристаллических дефектов высокой плотности в мелкозернистых сплавах Al, включая неравновесные границы зерен, дислокации и вакансии16,18. В частности, концентрация вакансий обычно может достигать уровня ~ 10-3 ат.% в образцах металла, обработанных методом HPT19, что, по крайней мере, на порядок выше, чем закаленные вакансии в образцах, обработанных обычным раствором20,21. Эти сверхизбыточные кристаллические дефекты значительно ускоряют диффузию атомов и одновременно вызывают выделения при более низких температурах, преимущественно вдоль дислокаций и границ зерен16. Например, в сплавах Al-Cu, обработанных ИПД, с наноразмерными зернами20,22, большое количество межзеренной некогерентной стабильной фазы θ-Al2Cu может образовываться на границах зерен (ГЗ) даже во время хранения при комнатной температуре. Усеченная последовательность выделений обходит внутризеренные выделения метастабильных когерентных фаз \({\theta }^{{\prime} {\prime} }\) и \({\theta }^{{\prime} }\), нормальных для искусственное старение крупнозернистых аналогов. Такое катастрофическое поведение осадков значительно снижает потенциал упрочнения за счет искусственного старения сплавов NG, полученных методом ИПД16. Другим последствием такого разложения пересыщенного твердого раствора является значительное снижение прочности при повышенной температуре из-за быстрого восстановления и укрупнения зерна23. Трудноразрешимое низкотемпературное (обычно ниже ~100 °C и даже при комнатной температуре) выделение стабильных фаз выделения становится еще одной проблемой термической нестабильности, которая серьезно ограничивает практическое использование сплавов NG Al и других сплавов NG с пересыщенным твердым раствором16 при повышенных температурах. , параллельно с вызывающим широкое беспокойство резким укрупнением зерна24.

Al showing a void. e High-resolution TEM image viewed along <110>Al showing the void. f Measured positron annihilation lifetime of the AlCu-R, AlCu-C, AlCuSc-R, and AlCuSc-C alloys, compared with typical values of room temperature HPT-processed Al alloys in refs. 19,30. The error bars represent standard deviations from the mean for sets of three tests. g A comparison of vacancy concentrations between the AlCu-R, AlCu-C, AlCuSc-R, AlCuSc-C alloys, and other SPD-processed alloys, including Cu34, 316 steels35, Ni34,36, and Al alloys18,31. The error bar on the red data point represents standard deviations from the mean for sets of three tests./p>Al direction (Fig. 1e), which are similar to the voids in pure Al grown from high temperature-induced vacancies27. Additional evidence can be seen in Supplementary Fig. 4. These nanosized voids were not inherently existed in the as-prepared AlCuSc-C alloy, they were created through the coalescence of original vacancies, triggered by low-energy and low-angle ion milling. Under Ar ion bombardment, the collision cascades and induced temperature increase cause the aggregation of vacancies into voids28,29. This implies that a substantially higher concentration of vacancies had been achieved in the NG AlCuSc-C alloy than in the other three NG alloys, despite their comparable grain structure and dislocation density./p>30% of the theoretical vacancy concentration retained. In comparison, the vacancy concentration Cv is just slightly elevated from ~0.3 × 10−2 at.% in the AlCu-R alloy to ~0.4 × 10−2 at.% in the AlCu-C alloy, and to ~1.0 × 10−2 at.% in the AlCuSc-R alloy. The individual effect of 77 K-HPT or Sc microalloying appears weak in promoting Cv. A coupling between the two effects is so strong that boosts the vacancy concentration to a significantly high level (~22 × 10−2 at.%) in the AlCuSc-C alloy./p>Al of the AlCuSc-C alloy, inset is the corresponding fast Fourier transform (FFT) pattern. h Atomic-resolution <100>Al HAADF-STEM image showing the solute complexes in the AlCuSc-C alloy. i Inverse FFT image showing the atom complexes enriched with Cu and Sc./p>15 × 10−3 m0c) due to Cu electrons but also a hump around 10 × 10−3 m0c due to Sc electrons. The agreements indicate that a large fraction of positrons annihilates at vacancies located next to Sc atoms50,51./p> -oriented micropillar) and peak-aged coarse-grained Al- 2.5 wt.%Cu alloy (~0.33 GPa for <110 > -oriented micropillar) (see Supplementary Fig. 15). The high strain hardening rate achieved in the AlCuSc-C alloy is supposed to be due to the strong hindering of moving dislocations by the high-density nanosized atom complexes enriched with Cu, Sc, and excess vacancies, which enhances the accumulation of dislocations. When the moving dislocations encounter complexes, an extra force is needed to break complexes, resulting in a pinning effect on the moving dislocations. This process would increase the opportunities for dislocations to interact with each other, enhancing the accumulation of dislocations in the grain interior and thus the strain hardening ability57./p>