王彪团队惠均等人MSEA: Si-Cu排斥效应

王彪团队惠均，李润霞教授等人基于APT和DFT分析了硅对铜原子的排斥效应对铝合金的强度和延展性的影响, 文章信息: Repelling effect of Si on Cu atoms enhances the strength and ductility of Al alloys: Atom probe tomography and first-principles analysis, https://doi.org/10.1016/j.msea.2025.147888. 联系通讯作者惠均(Jun Hui), huijun@dgut.edu.cn。

简介

通过APT和DFT分析了纳米富铜相和Si-Cu团簇的有序转化行为。首先，实验发现白色薄膜Cu沉淀在疏松的Si结构内，温度诱导Si结构内高浓度的Cu的流失和亚稳态Cu~Si团簇的形成; Cu溶解在Al合金内加速了纳米富Cu相的析出; 其次， Cu从Si相和Ci-Si团簇流失归因于“Like charges repel”和“体积排斥”机制，高温促进流失的Cu溶解在Al合金内，Cu与Al的强结合有利于纳米富Cu相的析出. 通过AIMD发现Si促进了Cu原子向空位扩散高温下。通过原子层次分析纳米析出相和Cu~Si团簇的形成机理，这为Al合金强度，硬度和韧性提高的机理提供了解释(AIMD动画图见原文)。

图 1：(a)应力-应变曲线；(b)合金的拉伸/屈服强度与时效时间的相关性；(c)合金硬度与时效时间的相关性；(d)共晶硅相的晶粒尺寸与时效时间的相关性；红色、蓝色和绿色箭头分别表示铸造、固溶和峰值时效状态下的铜浓度。

图 2：(a)Si 相在铸造、固溶和峰值老化状态下的线扫描结果；(b)Al 合金在深度腐蚀（0.2% HF 腐蚀 30 分钟）后的微观结构；(c)合金在铸造和峰值老化状态下的 X 射线衍射能谱；(d)明视场 TEM 图；(e)高分辨率 TEM 图；以及(f)沿 [100] 轴的高分辨率 TEM 图。

图 3. 处于峰值老化状态的铝合金的三维 APT 分析。(a) 铝基体中富铜沉淀的三维 APT 重建；(b) 柱状区域的浓度分布；(c) 铝基体中铜硅团簇沉淀的三维 APT 重建；(d) 柱状区域的浓度分布。

图4: (a)Al合金的电荷密度和电荷转移,（b）Al合金中元素间的键长，(c) AlMg, AlMgSi, AlMgSiCu的电荷密度, (d)Al合金体系内Cu的溶解能, (e) Al合金体系内Cu的溶解能和维诺体积的相关性，(e)有无Si的能量波动在时效温度下。

综上，Cu从Si相和Ci-Si团簇流失归因于“Like charges repel”和“体积排斥”机制，高温促进流失的Cu溶解在Al合金内，Cu与Al的强结合(i.e. 成键)有利于纳米富Cu相的析出。另外，疏松的Si相会诱导Cu元素的残余，应力会加速高能Cu~Si结构的失稳或开裂。因此，纳米析出相和合理的Cu浓度有益于Al合金强度，硬度和韧性的提高。虽然铸造铝合金内的纳米析出相的强化机制已经被研究，但是纳米析出相析出机理或强化机制背后的机制还没有被报道，本文通过APT和DFT分析了Si的排斥机制和Cu的有序转换机理将为航天用轻质铝合金的开发提供强力支撑。同时，本文实验和模拟结合的研究方法也可以运用在其他材料体系内。