高温によるナノグレインアルミニウム合金中の溶質原子の凍結

Nature Communications volume 13、記事番号: 3495 (2022) この記事を引用

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19 オルトメトリック

メトリクスの詳細

過飽和固溶体の好ましくない粒界析出物への低温分解は、激しい塑性変形によって製造されるナノグレインアルミニウム合金の実用化を制限する長年のボトルネックである。空孔濃度を最小限に抑えることは、分解プロセスを抑制する上で効果的なアプローチであると一般に考えられています。今回我々は、Scマイクロ合金化と組み合わせて高密度空孔を介してナノグレインAl-Cu合金中の過飽和固溶体を安定化する直感に反する戦略を報告する。強力な（Cu、Sc、空孔）豊富な原子複合体に結合した 2 桁高い濃度の空孔を生成することにより、Al-Cu-Sc 合金では高い熱安定性が達成され、析出は約 230°までほぼ抑制されます。 C. 溶質-空孔複合体により、より高い強度、より優れたひずみ硬化能力、および延性を備えたナノグレイン Al-Cu 合金も可能になります。これらの発見は、溶質と空孔の相互作用の大きな可能性と、高い安定性と優れた機械的特性を備えたナノ粒子合金の開発への展望を提供します。

金属材料に重点を置いた重要な相変態として、固体析出により、さまざまな長さスケールでの微細構造の調整と、さまざまな要求に応じた特性の最適化が可能になります1、2。過去数十年にわたる固体析出の研究は、構造用合金 (高強度アルミニウム合金 3、銅合金 4、鋼 5 など) と機能性材料 (形状など) の両方で実証されているように、人為的制御の軌跡をたどってきました。形状記憶合金6、磁石7、熱電材料8)。析出速度は原子拡散によって支配されることが一般に認識されており 9,10、特に置換型合金元素では空孔が重要な役割を果たします 11。したがって、空孔と溶質原子の間の相互作用を深く理解することで、析出の人為的制御を前進させることができます。典型的な例は、熱処理可能なアルミニウム (Al) 合金のマイクロアロイ効果を利用して析出挙動を調整することです。 Al-Cu 合金に In、Sn、または Cd を少量添加すると、高温での析出を促進しながら自然老化を抑制することが判明しました 12。自然老化の抑制は、マイクロ合金元素 (In、Sn、または Cd) と空孔の間の強力な結合に関連しています。このような強力な結合は、クエンチされた空孔を効果的にトラップするため、Cu の拡散が大幅に遅くなります 12。しかし、高温になると空孔が放出され、\({\theta }^{{\prime} }\)-Al2Cu 析出物の析出が促進されます。同じメカニズムによる同様の析出挙動は、Sn13 によってマイクロ合金化された Al-Mg-Si 合金でも観察されました。最近、空孔が要求する析出は、繊細に設計された低次元材料形状で直接確認され、空孔の数が大幅に増加する 14 (加熱によって表面で刺激される空孔)、または拡散によって完全に除去される 15 (空孔は薄化によって表面で消滅する) のいずれかです。 )、小さいサイズのサンプルではそれぞれ沈殿が促進または抑制されます。これまでの結果はすべて、Al 合金の析出を促進するには過剰な空孔が必要であるという同じ結論のみを対象としていました。

重大塑性変形（SPD）（高圧ねじり（HPT）や等チャンネル角プレス（ECAP）など）は、潜在的な用途向けにサブミクロンおよびナノサイズの粒子構造の高強度バルク Al 合金を生成するために広く適用されています 16,17 。合金の回復を遅らせてナノグレイン（NG）構造に達し、溶体化硬化によって強度を高めるには、溶質元素の含有量が高いことが重要です。しかし、SPD 中に加えられる高いひずみにより、小粒径 Al 合金に非平衡粒界、転位、空孔などの高密度の結晶欠陥が必然的に生成されます 16、18。特に、HPT19 による処理後の金属サンプルでは、空孔濃度は一般に約 10-3 at.% のレベルに達する可能性があり、これは従来の溶体化処理によるサンプルの急冷された空孔よりも少なくとも 1 桁大きい値です 20,21。これらの超過剰な結晶欠陥は原子の拡散を大幅に加速し、同時に低温で、主に転位や粒界に沿って析出を引き起こします16。たとえば、ナノサイズの粒子を含む SPD 処理された Al-Cu 合金では、周囲で保管している間でも、粒界 (GB) に大量の粒子間のインコヒーレントで安定した θ-Al2Cu 相が形成される可能性があります。切り詰められた析出シーケンスは、通常の準安定コヒーレント相 \({\theta }^{{\prime} {\prime} }\) および \({\theta }^{{\prime} }\) の粒内析出をバイパスします。粗粒対応物の人工的な老化。このような壊滅的な析出挙動は、SPD 処理によって製造された NG 合金の人工時効による強化の可能性を大幅に低下させます 16。このような過飽和固溶体の分解のもう 1 つの結果は、急速な回復と粒子の粗大化による、高温での強度の大幅な低下です。安定した析出相の扱いにくい低温（通常は約 100 °C 未満、さらには室温）での析出は、高温での過飽和固溶体を含む NG Al 合金やその他の NG 合金 16 の実用化を著しく制限する熱不安定性という新たな課題となります。、広く懸念されている深刻な結晶粒粗大化と並行して、24。

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>