北科大呂昭平、吳淵教授團隊《Nature》子刊：單相輕質高強高熵鋁合金

一、?【導讀】 ?

隨著對節能結構材料需求的不斷增長，開發輕質高強度的鋁合金一直是人們的追求。通常，鋁合金中鋁的含量超過85%，要進一步降低密度，需引入更多輕元素。然而，超出這些元素在鋁中的溶解度極限，可能導致合金主要由金屬間化合物（IMC）組成，缺乏延性面心立方（FCC）基體，從而導致力學性能惡化。此外，強度通常隨著密度的降低而降低，這導致在鋁合金中實現高比強度具有很大的挑戰性。基于復雜濃縮合金（CCA）概念引入高構型熵已被證明是一種有效的方法，可以穩定固溶體相，防止形成遠超傳統溶解度極限的IMC。單相固溶體鋁基CCA的缺乏主要是由于鋁和其他輕元素之間原子半徑和電負性差異顯著，導致體系高混合焓（H）和低過剩熵（SE）。在這種情況下，化學有序的IMC更容易形成。盡管升高溫度可以增強熵效應，提高某種元素在另一種元素中的溶解度，但是對于鋁合金來說，在高溫熔體淬火凝固過程中仍然容易形成金屬間化合物，因此僅通過升高溫度產生的熵效應仍然不夠。

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二、【成果掠影】

為解決這一問題，北京科技大學新金屬材料國家重點實驗室呂昭平、吳淵教授團隊與北京高壓科學研究中心曾橋石研究員合作，提出了一種新方法，通過高溫高壓手段，直接將鋁基CCA中的多種脆性相轉變為單相延性固溶體。成功開發出一種單相FCC結構的鋁基CCA，Al₅₅Mg₃₅Li₅Zn₅，其密度低至2.40g/cm³（低于大多數鋁合金 ~ 2.8g/cm³），比屈服強度達到344×10³N·m/kg（目前鋁基合金通常約為200×10³N·m/kg）。分析表明，單相CCA的形成歸因于高壓下溶質元素與鋁之間原子尺寸和電負性差異的減少，以及高溫高壓條件下的協同高熵效應。超高的強度來自于單一FCC晶格中多種元素導致的固溶強化，以及納米級化學波動引起的位錯釘扎效應。

相關工作以?“Lightweight single-phase Al-based complex?concentrated alloy with high specific strength”為題在線發表在《Nature Communications》上。論文第一作者為博士生韓明亮。

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?三、【核心創新點】

單相鋁基CCA開發：創新性引入高溫高壓技術，成功將多相IMC轉化為單相FCC結構，開發了一種新型的輕質單相鋁基復雜濃縮合金（CCA）。

優異的力學性能：開發的單相鋁基CCA超低的密度源于額外量更輕元素（Li、Mg）的引入；高比強度主要源于固溶強化、局域化學成分波動強韌化。

合金設計普適性：建立了高溫高壓制備單相輕質CCA固溶體的普適性準則，為更多輕質CCA的設計開發提供了指導。

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?四、【數據概覽】

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圖1 ?鑄態和高溫高壓合成的Al₅₅Mg₃₅Li₅Zn₅樣品的表征 ??

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圖2 ?力學性能 ??

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圖3 ?單相Al₅₅Mg₃₅Li₅Zn₅?CCA的變形行為 ??

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圖4 ?原位高壓同步輻射揭示單相FCC的相形成機制 ??

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圖5 ?元素半徑、局部原子應變（λ）、電負性和過剩熵（SE）隨壓力的變化 ??

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五、【成果啟示】

綜上，研究人員創新性地利用高溫高壓手段，將鋁基CCA中的多種脆性相轉變為單相延性固溶體。成功開發出一種具有優異力學性能的單相面心立方結構鋁基CCA。本研究成功將鋁合金從相圖端際拓展到未開發的中間區域，提供了更廣闊的成分設計空間，為高性能鋁合金的開發帶來了新機遇！該研究還建立了高溫高壓制備單相輕質CCA固溶體的普適性準則，為開發更多的單相固溶體輕質CCA提供了指導。此外，通過進一步合金成分的設計和后期熱處理工藝有望制備更大尺寸更強更韌的高熵鋁合金或其他高性能合金。

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原文詳情：?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

本文由二十九畫生供稿