[논문 리뷰] Bulk nanocrystalline Al alloys with hierarchical reinforcement structures via grain boundary segregation and complexion formation

Tianjiao Lei, Jungho Shin외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 09. 05.

Microstructure and mechanical properties참고 문헌 43인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 입자 크기 <60 nm이고 밀도 >99%인 완전 밀도의 다공성 나노결정성 알루미늄 합금(Al-Mg-Y, Al-Fe-Y, Al-Ni-Y)을 제조하기 위한 확장 가능한 파우더 메탈러지 방법을 제시한다. 도핑 원소가 결정립 경계에 선택적으로 분포하고, 이로 인해 비정질 복합상이 형성됨에 따라 효과적인 압축 및 열적 안정성이 가능해지며, 비정질 경계, 코어-쉘 나노막대, 인터메탈릭 상으로 구성된 계층적 미세구조 덕분에 나노인덴테이션 경도가 2.2–2.8 GPa에 이르게 된다.

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 &lt;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.

연구 동기 및 목표

• 고밀도 및 미세 결정립 크기를 갖춘 블록형 나노결정성 알루미늄 합금을 생산하기 위한 확장 가능하고 에너지 효율적인 방법을 개발하기 위해.
• 비균형 상태 공정 방법의 한계를 극복하여 나노결정성 금속 제조의 크기 제약을 줄이고 에너지 비용을 낮추기 위해.
• 결정립 경계에 의한 도핑 원소의 분포와 비정질 복합상 형성을 효과적인 밀도화 및 미세구조 안정화의 추진력으로 활용하기 위해.
• 계층적 강화 구조를 갖춘 나노결정성 알루미늄 합금을 위한 일반적인 합금 전략을 설계하기 위해.
• 제어된 미세구조 진화를 통해 완전 밀도의 나노결정성 알루미늄 합금에서 고강도 및 열적 안정성을 달성하기 위해.

제안 방법

• 3원계 알루미늄 합금(Al-Mg-Y, Al-Fe-Y, Al-Ni-Y)을 기계적 합금화와 585 °C에서의 핫 프레싱을 통해 압축하는 파우더 메탈러지 방법을 사용하였다.
• 결정립 경계에 선택적으로 분포하도록 도핑 원소(Mg, Fe, Ni, Y)를 선정하여 비정질 복합상 형성을 촉진하였다.
• 완전 밀도화가 결정립 경계에서 비정질 복합상 형성의 시작과 직접적으로 연관된 핫 프레싱 조건을 적용하였다.
• 전자현미경 및 衍射 분석을 통해 결정립 경계에의 분포와 비정질 상 형성을 확인하기 위해 세밀한 미세구조 분석을 수행하였다.
• 결정립 안정화 및 기계적 보강에 기여하는 핵심-쉘 나노막대 및 인터메탈릭 상을 포함한 계층적 미세구조를 분석하였다.
• 나노인덴테이션 측정을 통해 경도를 정량화하고, 미세구조적 특징과의 상관관계를 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 결정립 경계에 의한 도핑 원소의 분포와 비정질 복합상 형성이 나노결정성 알루미늄 합금에서 완전 밀도화를 이끄는 추진력가 될 수 있는가?
• RQ2 3원계 알루미늄 합금에서 도핑 원소가 압축 중 비정질 복합상 형성에 얼마나 기여하는가?
• RQ3 핵심-쉘 나노막대 및 인터메탈릭 상과 같은 계층적 미세구조적 특징이 결정립 구조의 안정화 및 기계적 성능에 기여하는 정도는 어떠한가?
• RQ4 간단한 파우더 메탈러지 공정을 통해 입자 크기 <60 nm이고 고경도를 갖는 완전 밀도의 블록형 나노결정성 알루미늄 합금을 제조할 수 있는가?
• RQ5 비정질 복합상이 나노결정성 알루미늄 합금의 열적 안정성 및 기계적 강도 향상에 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 585 °C에서의 핫 프레싱 후, 모든 3종의 알루미늄 합금(Al-Mg-Y, Al-Fe-Y, Al-Ni-Y)에서 이론 밀도의 99% 이상을 초과하는 밀도를 확보하였다.
• 모든 조성에서 입자 크기가 60 nm 이하로 감소하여 효과적인 나노결정화가 이루어졌음을 확인하였다.
• 나노인덴테이션 경도 값은 2.2에서 2.8 GPa 사이로 측정되어 나노결정립 구조와 계층적 특징으로 인한 뚜렷한 강화 효과를 보였다.
• 미세구조 분석 결과, 모든 도핑 원소(Mg, Fe, Ni, Y)가 결정립 경계에 완전히 분포함을 확인하였다.
• 결정립 경계에 비정질 복합상이 형성되었으며, 이는 핫 프레싱 중 완전 밀도화의 시작과 직접적인 상관관계를 보였다.
• 핵심-쉘 나노막대 및 크기가 수백 나노미터에 이르는 거친 인터메탈릭 상이 관찰되어 결정립 경계의 고정 및 미세구조 안정성에 기여하였다.