[论文解读] 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 4

一句话总结

本研究展示了一种可扩展的粉末冶金方法，用于制备完全致密的块体纳米晶铝合金（Al-Mg-Y、Al-Fe-Y、Al-Ni-Y），其晶粒尺寸小于60 nm，密度高于99%。通过利用掺杂剂在晶界处的偏析及随后形成非晶质相，该方法实现了有效的致密化和热稳定性，其纳米压痕硬度达到2.2–2.8 GPa，归因于非晶质边界、核壳纳米棒以及金属间化合物颗粒构成的分级微结构。

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.

研究动机与目标

• 开发一种可扩展、节能的块体纳米晶铝合金制备方法，实现高致密度和细小晶粒尺寸。
• 克服非平衡加工路线在纳米晶金属制备中导致尺寸受限和能耗增加的局限性。
• 利用晶界偏析与非晶质相形成作为有效致密化与微结构稳定化的驱动力。
• 设计一种通用的合金策略，以在纳米晶铝合金中实现分级强化结构。
• 通过受控的微结构演化，实现完全致密纳米晶铝合金的高强与热稳定性。

提出的方法

• 采用粉末冶金方法，通过机械合金化与585 °C下的热压烧结，实现三元铝合金（Al-Mg-Y、Al-Fe-Y、Al-Ni-Y）的致密化。
• 选择Mg、Fe、Ni、Y等掺杂元素，以促进其选择性偏析至晶界并促进非晶质相的形成。
• 在热压条件下，全致密化过程与晶界处非晶质相形成的起始点直接相关。
• 利用电子显微镜与衍射技术对微结构进行详细表征，以确认晶界偏析与非晶相的形成。
• 分析分级微结构（包括核壳纳米棒与金属间化合物颗粒）在晶粒稳定化与机械强化中的作用。
• 通过纳米压痕测试测量力学性能，以量化硬度并关联其与微结构特征的关系。

实验结果

研究问题

• RQ1 晶界偏析与非晶质相形成是否可作为纳米晶铝合金全致密化的驱动力？
• RQ2 在三元铝合金中，掺杂元素在致密化过程中促进非晶质相形成的程度如何？
• RQ3 分级微结构特征（如核壳纳米棒与金属间化合物颗粒）在晶粒结构稳定化与机械性能提升中发挥何种作用？
• RQ4 简单的粉末冶金路线能否实现晶粒尺寸小于60 nm、且完全致密的块体纳米晶铝合金？
• RQ5 非晶质相在提升纳米晶铝合金的热稳定性和机械强度方面起何种作用？

主要发现

• 所有三种铝合金（Al-Mg-Y、Al-Fe-Y、Al-Ni-Y）在585 °C下热压后，密度均超过理论密度的99%。
• 所有成分的晶粒尺寸均成功减小至60 nm以下，证实了有效的纳米晶化。
• 纳米压痕硬度值在2.2至2.8 GPa之间，表明纳米晶结构与分级微结构带来了显著的强化效果。
• 微结构分析证实，所有掺杂元素（Mg、Fe、Ni、Y）均完全偏析至晶界。
• 晶界处形成了非晶质相，其形成起始点与热压过程中全致密化的开始直接相关。
• 观察到核壳纳米棒及粗大金属间化合物颗粒（数百纳米），其在晶界钉扎与微结构稳定性中发挥了作用。