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超过3GPa!美国科学家开发出新型超硬铝合金Al-X

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本文固溶强化分析开始,利用第一性原理计算加上平衡和非平衡溶解度数据,筛选出铈和钴作为主要的候选强化元素,设计了Al-X合金中。对于Al-Co系统,钴浓度为3.0 at. %时最大硬度3.43 GPa,对于Al-Ce系统,Ce浓度3.0 at. %时最大硬度3.19 GPa。结果表明铈和钴是利用非平衡加工条件作为添加剂制造的下一代铝合金中很有前途的元素。

目前的许多铝合金是由早在20世纪初就已开发的成分体系演变而来的。几十年来,实验和理论工作的稳步进展大大提升了精炼合金成分和后处理工艺。近日,美国康涅狄格大学大学等研究者通过设计固溶强化铝合金,用于涉及高速冷却的制造技术。相关论文以题为“Novel Al-X alloys with improved hardness”于近日发表在Materials & Design上。

论文链接:

https://doi.org/10.1016/j.matdes.2020.108699

铝合金的显著持续改进很大程度上源于强化机制的理论,这些理论是与合金强化的实验结果一起发展起来的,最显著的是沉淀强化和固溶强化。固溶强化方法是基于不同现象引起的位错运动的阻碍,但主要是位错应变场与溶质原子之间的相互作用。通过密度泛函理论(DFT)的第一性原理计算,可以非常有效地处理产生应变场的溶质原子附近的晶格畸变。例如,采用DFT解释了Fe0.975M0.025 (M= Mg, Al, Si, V, Cr, Mn, Co, Ni)和Fe0.975-x-yCrxNiyMg0.025(x = 0.1, 0.15, 0.2, y = 0.2)合金固溶强化的趋势。结果表明,镁在Fe-M合金中固溶强化效果中影响最大,这主要是由于原子尺寸的不匹配和弹性性质的变化。

DFT和类似的量子力学计算有助于确定晶格畸变和基态弹性特性。在Al基体系中,DFT已被用于描述63种元素小浓度时晶格应变和弹性特性的变化。平衡溶解度可以从现有的相图中确定,但只有少数制造技术规定了平衡条件。非平衡处理倾向于增加溶解度限制,大量的溶解度扩展是在70年代和80年代新开发的快速凝固技术以及当前的增材制造技术中实现的。这些扩展的固溶性可以在固溶强化的基础上直接帮助提高硬度,也可以在操作或后处理热处理过程中转化为析出物,进一步提高强度和硬度。

本文研究以固溶强化分析开始,利用第一性原理计算来确定不同元素引入铝基体晶格后的弹性性质变化和局部晶格变形。这些结果,加上平衡和非平衡溶解度数据,筛选出铈和钴作为主要的候选合金元素。合成的Al-Ce和Al-Co的合金浓度分别为0.5、1.0和3.0 at. %,并进行激光上釉,以产生非平衡微观结构。采用扫描电子显微镜和透射电子显微镜相结合的方法测定了其微观结构和固溶特性。

此外,纳米压痕用于测量硬度,表明这两种候选体系在上釉后都显著硬化。对于Al-Co系统,在钴浓度分别为0.5、1.0和3.0 at. %时,最大硬度分别对应为1.28、1.74和3.43 GPa。对于Al-Ce系统,在Ce浓度分别为0.5、1.0和3.0 at. %时,Al-Ce的最大硬度为0.68、1.26和3.19 GPa。另外,Al-1.0Co at. %可达到与Al6061-T6媲美的硬度。而Al-3.0Co at. %激光上釉相硬度约为Al6061-T6的两倍。

图1 构建超胞的球棒模型;

图2 熔池中心的BSE SEM图像

图3 相关TEM表征图

图4 熔化池内部的HAADF图像和元素映射

图5 Al-1Co at. %中富Co簇的HRTEM图像。

图6 EBSD单轨结果

图7 Al-0.5Co at. %熔体轨迹内外纳米压痕阵列的光学图像。

图8 硬度值与a) AlCe和b) AlCo在0.5、1.0和3.0 at. %处与熔池边缘距离的函数。

在Al-X合金中,X是原子序数在1到94之间的元素,理论和实验研究的结果确定,钴和铈是可以在铝中产生显著硬化的潜在合金元素。铈和钴是利用非平衡加工条件作为添加剂制造的下一代铝合金中很有前途的元素。(文:水生)

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