北科大吕昭平、吴渊教授团队《Nature》子刊：单相轻质高强高熵铝合金

一、 【导读】  

随着对节能结构材料需求的不断增长，开发轻质高强度的铝合金一直是人们的追求。通常，铝合金中铝的含量超过85%，要进一步降低密度，需引入更多轻元素。然而，超出这些元素在铝中的溶解度极限，可能导致合金主要由金属间化合物（IMC）组成，缺乏延性面心立方（FCC）基体，从而导致力学性能恶化。此外，强度通常随着密度的降低而降低，这导致在铝合金中实现高比强度具有很大的挑战性。基于复杂浓缩合金（CCA）概念引入高构型熵已被证明是一种有效的方法，可以稳定固溶体相，防止形成远超传统溶解度极限的IMC。单相固溶体铝基CCA的缺乏主要是由于铝和其他轻元素之间原子半径和电负性差异显著，导致体系高混合焓（H）和低过剩熵（SE）。在这种情况下，化学有序的IMC更容易形成。尽管升高温度可以增强熵效应，提高某种元素在另一种元素中的溶解度，但是对于铝合金来说，在高温熔体淬火凝固过程中仍然容易形成金属间化合物，因此仅通过升高温度产生的熵效应仍然不够。

二、【成果掠影】

为解决这一问题，北京科技大学新金属材料国家重点实验室吕昭平、吴渊教授团队与北京高压科学研究中心曾桥石研究员合作，提出了一种新方法，通过高温高压手段，直接将铝基CCA中的多种脆性相转变为单相延性固溶体。成功开发出一种单相FCC结构的铝基CCA，Al₅₅Mg₃₅Li₅Zn₅，其密度低至2.40g/cm³（低于大多数铝合金 ~ 2.8g/cm³），比屈服强度达到344×10³N·m/kg（目前铝基合金通常约为200×10³N·m/kg）。分析表明，单相CCA的形成归因于高压下溶质元素与铝之间原子尺寸和电负性差异的减少，以及高温高压条件下的协同高熵效应。超高的强度来自于单一FCC晶格中多种元素导致的固溶强化，以及纳米级化学波动引起的位错钉扎效应。

相关工作以 “Lightweight single-phase Al-based complex concentrated alloy with high specific strength”为题在线发表在《Nature Communications》上。论文第一作者为博士生韩明亮。

 三、【核心创新点】

单相铝基CCA开发：创新性引入高温高压技术，成功将多相IMC转化为单相FCC结构，开发了一种新型的轻质单相铝基复杂浓缩合金（CCA）。

优异的力学性能：开发的单相铝基CCA超低的密度源于额外量更轻元素（Li、Mg）的引入；高比强度主要源于固溶强化、局域化学成分波动强韧化。

合金设计普适性：建立了高温高压制备单相轻质CCA固溶体的普适性准则，为更多轻质CCA的设计开发提供了指导。

 四、【数据概览】

图1  铸态和高温高压合成的Al₅₅Mg₃₅Li₅Zn₅样品的表征  ©

图2  力学性能  ©

图3  单相Al₅₅Mg₃₅Li₅Zn₅ CCA的变形行为  ©

图4  原位高压同步辐射揭示单相FCC的相形成机制  ©

图5  元素半径、局部原子应变（λ）、电负性和过剩熵（SE）随压力的变化  ©

五、【成果启示】

综上，研究人员创新性地利用高温高压手段，将铝基CCA中的多种脆性相转变为单相延性固溶体。成功开发出一种具有优异力学性能的单相面心立方结构铝基CCA。本研究成功将铝合金从相图端际拓展到未开发的中间区域，提供了更广阔的成分设计空间，为高性能铝合金的开发带来了新机遇！该研究还建立了高温高压制备单相轻质CCA固溶体的普适性准则，为开发更多的单相固溶体轻质CCA提供了指导。此外，通过进一步合金成分的设计和后期热处理工艺有望制备更大尺寸更强更韧的高熵铝合金或其他高性能合金。

原文详情： Han, M., Wu, Y., Zong, X. et al. Lightweight single-phase Al-based complex concentrated alloy with high specific strength. Nat Commun 15, 7102 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-51387-6

本文由二十九画生供稿