[論文レビュー] Bulk nanocrystalline Al alloys with hierarchical reinforcement structures via grain boundary segregation and complexion formation

Tianjiao Lei, Jungho Shin+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 5, 2021

Microstructure and mechanical properties参考文献 43被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、全密度のバルクナノ結晶性アルミニウム合金（Al-Mg-Y、Al-Fe-Y、Al-Ni-Y）をスケーラブルな粉末冶金法で作製する手法を示した。結晶粒径は60 nm未塔、密度は99%以上を達成した。ドーパント元素の界面セグレゲーションとその後に続くアモルファス相の形成により、効果的な凝集と熱的安定性が実現され、アモルファス界面、コアシェルナノロッド、インタメタルリック相から成る階層的微細組織を通じて、ナノインデンテーション硬度が2.2–2.8 GPaに達した。

ABSTRACT

Grain size engineering, particularly reducing grain size into the nanocrystalline regime, offers a promising pathway to further improve the strength-to-weight ratio of Al alloys. Unfortunately, the fabrication of nanocrystalline metals often requires non-equilibrium processing routes, which typically limit the specimen size and require large energy budgets. In this study, multiple dopant atoms in ternary Al alloys are deliberately selected to enable segregation to the grain boundary region and promote the formation of amorphous complexions. Three different fully dense bulk nanocrystalline Al alloys (Al-Mg-Y, Al-Fe-Y, and Al-Ni-Y) with small grain sizes were successfully fabricated using a simple powder metallurgy approach, with full densification connected directly to the onset of amorphous complexion formation. All the compositions demonstrate densities above 99% with grain sizes of <60 nm following consolidation via hot pressing at 585 oC. The very fine grain structure results in excellent mechanical properties, with nanoindentation hardness values in the range of 2.2-2.8 GPa. Detailed microstructural characterization verifies the segregation of all dopant species to grain boundaries as well as the formation of amorphous complexions, which suggests their influential role in aiding effective consolidation and endowing thermal stability in the alloys. Moreover, nanorods with a core-shell structure are also observed at the grain boundaries, which likely contribute to the stabilization of the grain structure and high strength. Finally, intermetallic particles with a sizes of hundreds of nanometers form. As a whole, the results presented here demonstrate a general alloy design strategy of segregation and boundary evolution pathway that enables the fabrication of multiple nanocrystalline Al alloys with hierarchical microstructures and improved performance.

研究の動機と目的

• 高密度および微細結晶粒を有するバルクナノ結晶性アルミニウム合金を、スケーラブルでエネルギー効率の良い方法で生産するための手法を開発すること。
• ナノ結晶金属の作製においてサイズ制限を受ける非平衡処理ルートの限界を克服し、エネルギーコストを低減すること。
• 界面セグレゲーションとアモルファス相の形成を、効果的な致密化と微細組織安定化の駆動力として活用すること。
• ナノ結晶性アルミニウム合金における階層的補強構造を可能にする一般化された合金戦略を設計すること。
• 制御された微細組織の進化を通じて、完全に致密化されたナノ結晶性アルミニウム合金の高強度および熱的安定性を達成すること。

提案手法

• 三元系アルミニウム合金（Al-Mg-Y、Al-Fe-Y、Al-Ni-Y）を機械合金化および585 °Cでのホットプレスを用いた粉末冶金法を採用して凝集した。
• 界面への選択的セグレゲーションを促進し、アモルファス相の形成を容易にするためにドーパント元素（Mg、Fe、Ni、Y）を選定した。
• ホットプレス条件下で、完全致密化が界面におけるアモルファス相の形成開始と直接関連していた。
• 電子顕微鏡および回折を用いた詳細な微細組織評価により、界面セグレゲーションおよびアモルファス相の形成を確認した。
• コアシェルナノロッドおよびインタメタルリック相を含む階層的微細組織が、結晶粒の安定化および機械的補強に果たす役割を分析した。
• ナノインデンテーションを用いて機械的特性を測定し、微細組織特徴と硬度の相関関係を明確にした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 界面セグレゲーションとアモルファス相の形成は、ナノ結晶性アルミニウム合金における完全致密化の駆動力として機能できるか？
• RQ2 三元系アルミニウム合金におけるドーパント元素が、凝集過程中にアモルファス相を形成するのにどの程度寄与するか？
• RQ3 コアシェルナノロッドやインタメタルリック相を含む階層的微細組織特徴は、結晶粒構造の安定化および機械的性能にどのように寄与するか？
• RQ4 シンプルな粉末冶金法により、結晶粒径が60 nm未塔かつ高硬度を有する完全に致密化されたバルクナノ結晶性アルミニウム合金を製造可能か？
• RQ5 アモルファス相は、ナノ結晶性アルミニウム合金の熱的安定性および機械的強度の向上に果たす役割は何か？

主な発見

• すべての三種のアルミニウム合金（Al-Mg-Y、Al-Fe-Y、Al-Ni-Y）が、585 °Cでのホットプレス処理後に理論密度の99%を超える密度を達成した。
• 全組成において結晶粒径が60 nm未塔にまで小さく抑えられ、効果的なナノ結晶化が確認された。
• ナノインデンテーション硬度は2.2～2.8 GPaの範囲にあり、ナノ結晶構造および階層的特徴に起因する顕著な強化が示された。
• 微細組織分析により、すべてのドーパント元素（Mg、Fe、Ni、Y）が界面に完全にセグレゲーションしていることが確認された。
• 界面にアモルファス相が形成されており、これはホットプレス中の完全致密化の開始と直接相関していた。
• コアシェルナノロッドおよび大径のインタメタルリック相（数100 nm）が観察され、結晶粒界のピン留めおよび微細組織安定化に寄与していた。