上海交大先進材料與凝固研究所夏明許Acta Mater.：液態AlCu合金成核的界面調控
【引言】
材料的形核行為與生物醫學上的生物璃陶瓷合成，汽車或航空航天上高性能材料制備以及功能納米晶體材料制造等密切相關。以往認為異質形核取決于異質形核基底性質、合金元素以及基底與新晶體之間的晶格匹配。提出了異質形核過程不但與形核核心的尺寸、粒度分布、表面粗糙度、形核基底表面形貌、結構和化學組成有關，還與合金與基體之間的化學反應密切相關。據此，提出了多種異質形核模型用于描述異質形核核心的形核潛力。但上述研究大多分散在不同條件下的不同形核體系中，缺乏系統一致性基礎，并且未能對原子尺度上的形核機理做進一步的分析。
【成果簡介】
近日，上海交通大學夏明許（通訊作者）及其合作者在Acta Mater.上發表了一篇名為“Interfacial tuning for the nucleation of liquid AlCu alloy”的文章，研究人員通過溶質組成和基體晶格結構調整Al-Cu合金的異質形核界面結構，實現復雜的異質形核過程控制。利用HAADF STEM和EELs技術對原子級異質形核調控機理進行了系統研究。結果表明，溶質元素和基底晶格結構均可用于改變異質形核界面的晶格匹配，其中合金元素Cu吸附在形核界面上，調整新晶體和異質形核基底之間的晶格匹配，而不是改變合金基體本身的晶格結構。研究人員進一步證明了合金的形核能壘（過冷）與晶格錯配之間的關系，有助于Al異質形核過程控制的定量研究。
【圖文導讀】
圖1 利用XRD分析在不同Al2O3單晶基底上形核的Al和Al-Cu合金的晶向
a （1010） ? ??b（1011）
c（1014） ? ? d（0001）
圖2 形核界面的典型SEM圖像
a Al/(1010)Al2O3
b Al-1.4 wt %Cu/(1010)Al2O3
c Al-4.0 wt %Cu/(1010)Al2O3
d c中較亮區域的EDS分析
圖3 分析溶質元素Cu對異質形核界面的影響
a Al-1.4 wt %Cu/(1010)Al2O3界面的STEM HAADF Z-襯度圖
b-d EEL光譜圖像，EELS-動態圖
e-f 考慮0峰的漂移，953 eV下的Cu L2邊緣，931 eV下的Cu L3邊緣
圖4 在Al-Cu/Al2O3界面處的高分辨率HAADF STEM圖像和EDX元素圖
a 沿[001] Al軸拍攝的高分辨率HAADF-STEM圖像
b Al元素分布的EDX圖
c Cu元素分布的EDX圖
d O元素分布的EDX圖
圖5 存在于Al-Cu/Al2O3界面處的三種可能的中間層類型
a 在重合位錯區域存在具有Al樣晶格結構的AlCu固溶體
b-c 在界面處吸附的純Cu或Al2Cu“單層”
圖6 基于Al-1.4wt％Cu/Al2O3異質形核體系的理論晶格錯配度預測的理論形核過冷度曲線及對應的實驗形核過冷度值
通過合金元素調整與異質形核基底控制，Al及Al-Cu合金的過冷度與理論的過冷度晶格錯配預測模型符合較好，表明在Al或AlCu/Al2O3成核體系中，合金元素及異質形核基底均能用于調整Al或Al-Cu合金的異質形核行為。
【小結】
研究人員研究了不同基體不同Cu含量下液態Al的異質形核行為，通過溶質添加和選擇不同的單晶基底闡明異質形核控制的原子機理。結果表明，通過優選異質形核基底或添加有效合金元素可促進異質形核發生，降低形核過冷度。形核過冷度由形核界面處的晶格錯配度確定的，其中異質形核基底的晶格結構或Cu元素的吸附將改變形核界面的原子結構以獲得更好的晶格匹配。AlCu合金的研究進一步證明了作者之前提出的形核過冷度和晶格錯配之間的定量關系方程。基于這一方程，可以從異質形核基底的晶格結構和溶質元素的調整兩個方面對潛在的形核界面結構調整異質形核的形核行為。
文獻鏈接：Interfacial tuning for the nucleation of liquid AlCu alloy?(Acta Mater.,2017,DIO.org/10.1016/j.actamat.2017.07.058)
【團隊相關論文】
1.The role of lattice misfit on heterogneous nucleation of pure Aluminum, Metallurgical and matetrials transactions A, 47（2016）5012,
2.Misfit paradox on nucleation potency of MgO and MgAl2O4 for Al, Materials Characterization, 119(2016)92.?DIO：https://doi.org/10.1016/j.matchar.2016.07.018
3. Formation of MgAl2O4at Al/MgO interface, Materials Transactions, 56(2015)277.?https://doi/10.2320/matertrans.M2014345
4.Epitaxial growth in heterogeneous nucleation of pure Aluminum, Matrials Letters, 132(2014)52.https://doi.org/10.1016/j.matlet.2014.06.051
上海交通大學先進材料與凝固實驗室(LAMS)團隊介紹：
973首席科學家、國家杰出青年基金獲得者李建國教授領導的上海交通大學先進材料與凝固實驗室的目標是通過對凝固過程的直接觀察和理論模擬，深入了解凝固過程發生的本質，并通過對凝固過程的精準控制，達到鑄造完美鑄件的目標。因此，將著力于發展與凝固過程相關的原位觀察技術、理論模擬技術、過程控制技術，并盡我所能的將我們所觀察到的結果與實際應用相結合，發展具有創新特性、可持續發展的新型凝固技術，使之能服務于鑄造企業及其客戶，幫助他們向客戶提供具備競爭性的產品，搶占全球市場先機。
為達到以上目標，研究所注重在以下兩個方面做出努力：
1、凝固理論
凝固過程是一個由液相向固相轉變的過程，但該過程并非一維，單向過程。其在形核過程中的競爭性行為決定了凝固組織的相組成及組織形貌，并導致其性能具有天壤之別。LAMS將從凝固過程中液態金屬的結構轉化、液固界面的形成，以及形核、生長過程的控制三個方面對凝固過程進行剖析，將借助于同步輻射原位觀察，高分辨透射電鏡等多種分析測試手段以及第一性原理、分子動力學模擬、相場模擬等，對凝固過程的原子機理，物理、化學過程進行分析，以期建立起基于原子尺度的凝固過程本征方程，并基于對凝固過程的理解發展一系列凝固控制技術。
2、凝固技術
傳統的凝固過程是一個煙熏火燎，塵土飛揚的環境，對凝固過程本身的弱控制，也使得鑄件具備或多或少的鑄造缺陷，并影響了后續的使用的加工使用性能。尤其是在大型鑄鍛件中，鑄件質量的好壞直接決定了后續鍛造過程的熱處理和鍛造工藝。即使是小型零部件，以高質量精密鑄造替代切削、鍛造工藝也能極大的節省加工成本。當然，更重要的是減少在后續加工過程中由于熱處理、切削過程造成的對材料、能源的浪費，從而減緩對環境資源的消耗，滿足社會對可持續性發展的需求。LAMS通過對凝固過程的理解，創新發展凝固技術，加深對凝固過程本身的控制，從而達到控制鑄件微觀組織以及宏觀結構的目的，使鑄件最大可能的接近最終使用的需求，并盡可能縮短后續加工流程。
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通過優選異質形核基底或添加有效合金元素可促進異質形核發生，降低形核過冷度。