Adv.Mater.：具有9R相的高强纳米孪晶铝合金

【引言】

轻质高强的铝合金在工业生产中有着广泛的应用。通过时效处理，铝合金的屈服强度能达到0.7 GPa。而铝基金属玻璃的强度能达到1 GPa，但塑性较差且密度较高。近年来，有关学者通过低温球磨或大塑性变形的方式减小合金的晶粒尺寸来提高合金的强度，但合金的晶粒尺寸进入纳米尺度并达到临界尺寸后合金的强度反而降低。近几年的研究发现，通过增加合金中的纳米孪晶数量可以使合金获得很高的强度，但由于铝合金的层错能较高，所以只有在某些极限条件下才能产生纳米孪晶。因此如何获得具有高密度的纳米孪晶的铝合金仍然是一个巨大的挑战。

【成果简介】

近日，来自美国普渡大学的Zhang XingHang教授（没有查到作者的确切姓名，这里以拼音代替）在Adv. Mater.上发表了一篇名为“High-Strength Nanotwinned Al Alloys with 9R Phase”的文章。研究人员通过直流磁溅射方式获得纯铝以及具有纳米孪晶的不同Fe含量的Al-Fe合金。研究人员通过单向压缩和纳米压痕测试了合金的力学性能同时借助TEM、SEM、分子动力学模拟等手段研究了变形前后合金显微结构变化，并对合金显微组织变化机理进行了深入的阐述。

【图文导读】

图1：纯Al膜和不同Fe含量的Al-Fe合金膜的显微结构和显微硬度

（a）纯Al膜的TEM图；（b）纯Al膜横截面的TEM图；（c）(111）方向上纯Al膜的X射线极图；（d）Al-2.5at%Fe膜横截面的TEM图；（e）Al-2.5at%Fe膜横截面的TEM图；（f）(111）方向上Al-2.5at%Fe膜的X射线极图；（g）不同Fe含量的Al-Fe合金的显微硬度变化曲线和铝合金的显微硬度随着平均晶粒尺寸的变化曲线。前者表明，Al-Fe合金的显微硬度随着Fe含量的变化先增加后减小，在5.9at%处达到峰值（约5.5GPa）；后者表明，晶粒尺寸在纳米尺度时，Al合金的显微硬度随着晶粒尺寸的减小而减小；（h）不同Fe含量的Al-Fe合金以及其他种类合金的比强度和比模量范围示意图。

图2：Al-2.5at%Fe膜的显微结构

（a）Al-2.5at%Fe膜横截面的TEM图，由图知柱状晶的宽度约为42nm；（b）Al-2.5at%Fe膜横截面中三个相邻柱状晶的TEM图以及相应的快速傅里叶转变图，其中T代表孪晶、M代表基体、9R代表9R相；（c）Al-2.5at%Fe膜中显微结构的示意图，其中ITB代表非共格孪晶界；（d）、（e）和（f）分别是图（b）中方框d、方框e和方框f的HRTEM图，其中PB代表相界；（g）为图（d）中方框g的放大图，其中SF代表层错；（h）为图（f）中方框（h）的放大图，相界处存在位错。

图3：不同Fe含量Al-Fe合金的单向压缩

（a）、（b）和（c）分别是纯Al、Al-2.5at%Fe合金和Al-5.9at%Fe合金在单向压缩中不同应变下的SEM图片；（d）纯Al、Al-2.5at%Fe合金和Al-5.9at%Fe合金的真应力-真应变曲线；（e）应变为10%时，纯Al、Al-2.5at%Fe合金和Al-5.9at%Fe合金的流变应力和硬化指数。

图4：室温下单向压缩的分子动力学模拟

（a）具有纳米孪晶结构的纯Al的单向压缩的分子动力学模拟结果。图中红色代表堆垛层错，蓝色代表基体Al原子，绿色代表晶界和其他缺陷；（b）具有纳米孪晶结构的Al-5at%Fe合金的单向压缩的分子动力学模拟结果。图中红色代表堆垛层错，蓝色代表基体Fe原子，绿色代表Al原子，棕色代表晶界和其他缺陷；（c）为图（b）的平面图。

图5：具有纳米孪晶结构的Al-2.5at%Fe合金的显微结构

（a）变形后的明场像和暗场像，T代表孪晶，M代表基体；（b）为图（a）中的方框b放大图以及方框c和方框b的傅里叶转变图；（c）和（d）分别为方框c和方框b的放大图。

【小结】

此项研究通过直流磁溅射方式获得了具有高密度纳米孪晶和9R相的Al-Fe合金，其中Al-5.9at%Fe合金的硬度约5.5GPa，流变应力约1.5GPa。研究发现Fe原子可以提高纳米孪晶和9R相的稳定性。同时研究还发现9R相可以使合金获得很高的强度和硬度。该研究为设计超高强铝合金提供了新思路。

文献链接：High-Strength Nanotwinned Al Alloys with 9R Phase（Adv. Mater.，DOI: 10.1002/adma.201704629）

本文由材料人编辑部金属组刘冠华编译，陈炳旭审核，点我加入材料人编辑部。

材料测试，数据分析，上测试谷！