Congelamento de átomos de soluto em ligas de alumínio nanograinadas via alta

Nature Communications volume 13, número do artigo: 3495 (2022) Citar este artigo

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A decomposição em baixa temperatura de solução sólida supersaturada em precipitados intergranulares desfavoráveis é um gargalo de longa data que limita as aplicações práticas de ligas de alumínio nanograinadas que são preparadas por severa deformação plástica. Minimizar a concentração de vagas é geralmente considerada uma abordagem eficaz para suprimir o processo de decomposição. Aqui relatamos uma estratégia contra-intuitiva para estabilizar soluções sólidas supersaturadas em ligas de Al-Cu nanograinadas através de vagas de alta densidade em combinação com microligas Sc. Ao gerar uma concentração duas ordens de magnitude maior de vagas ligadas em complexos atômicos fortes (Cu, Sc, vagas), uma alta estabilidade térmica é alcançada em uma liga Al-Cu-Sc que a precipitação é quase suprimida até ~ 230 ° C. Os complexos de vacância de soluto também permitem que as ligas de Al-Cu nanograinadas tenham maior resistência, maior capacidade de endurecimento por deformação e ductilidade. Essas descobertas fornecem perspectivas para os grandes potenciais de interação soluto-vacância e para o desenvolvimento de ligas nanograinadas com alta estabilidade e propriedades mecânicas de bom desempenho.

Como uma importante transformação de fase altamente focada em materiais metálicos, a precipitação no estado sólido permite ajuste microestrutural em várias escalas de comprimento e otimização de propriedades sob diferentes demandas . A pesquisa sobre a precipitação no estado sólido nas últimas décadas seguiu uma trajetória de controle artificial, como bem demonstrado tanto em ligas estruturais (por exemplo, ligas de alumínio de alta resistência3, ligas de cobre4 e aços5) quanto em materiais funcionais (por exemplo, formas ligas de memória6, ímãs7 e termoelétricas8). Tem sido geralmente reconhecido que a cinética de precipitação é dominada pela difusão atômica , onde as vagas desempenham um papel crítico, especialmente para elementos de liga substitucionais . O controle artificial da precipitação poderia, portanto, ser avançado através da compreensão aprofundada das interações entre vacâncias e átomos de soluto. Um exemplo típico é usar o efeito de microliga em ligas de alumínio (Al) tratáveis termicamente para ajustar os comportamentos de precipitação. Descobriu-se que pequenas adições de In, Sn ou Cd em ligas de Al-Cu suprimem o envelhecimento natural enquanto promovem a precipitação em temperaturas elevadas . A supressão do envelhecimento natural está associada a uma forte ligação entre o elemento microligante (In, Sn ou Cd) e a vacância. Uma ligação tão forte captura efetivamente as vagas extintas e, portanto, retarda bastante a difusão do Cu . Mas as vagas são liberadas em temperaturas elevadas que facilitam a precipitação de precipitados de \({\theta }^{{\prime} }\)-Al2Cu. Comportamentos de precipitação semelhantes com os mesmos mecanismos também foram observados em ligas Al-Mg-Si microligadas por Sn13. Recentemente, a precipitação exigida por vagas foi diretamente confirmada em geometrias de materiais de baixa dimensão delicadamente projetadas, onde as vagas foram altamente aumentadas em números14 (vagas estimuladas na superfície por aquecimento) ou totalmente eliminadas por difusão15 (vagas aniquiladas na superfície por desbaste ), levando à precipitação promovida ou suprimida, respectivamente, em amostras de pequeno porte. Todos os resultados anteriores direcionaram exclusivamente para a mesma conclusão de que são necessárias vagas excessivas para promover a precipitação em ligas de Al.

A deformação plástica severa (SPD) (por exemplo, torção de alta pressão (HPT) e prensagem angular de canal igual (ECAP)) tem sido amplamente aplicada para gerar ligas de Al a granel de alta resistência de estruturas de grãos submicrométricos e nanométricos para aplicações potenciais . . O alto teor de elementos solutos é crítico para que as ligas atinjam a estrutura nanograinada (NG), retardando a recuperação e aumentando a resistência pelo endurecimento da solução. No entanto, a alta deformação aplicada durante o SPD produz inevitavelmente defeitos cristalinos de alta densidade nas ligas de Al de grãos pequenos, incluindo limites de grãos fora de equilíbrio, deslocamentos e vacâncias . Em particular, a concentração de vagas pode normalmente atingir um nível de ~ 10-3% nas amostras de metal processadas pelo HPT19, pelo menos uma ordem de grandeza maior que as vagas extintas em amostras de tratamentos de solução convencionais . Esses defeitos cristalinos superexcessivos aceleram muito a difusão atômica e concomitantemente desencadeiam precipitações em temperaturas mais baixas, preferencialmente ao longo de discordâncias e limites de grão . Em ligas de Al-Cu processadas por SPD com grãos nanométricos , por exemplo, uma grande quantidade de fase θ-Al2Cu estável incoerente intergranular poderia se formar nos limites de grão (GBs), mesmo durante o armazenamento ambiente. A sequência de precipitação truncada ignora as precipitações intragranulares de fases coerentes metaestáveis \({\theta }^{{\prime} {\prime} }\) e \({\theta }^{{\prime} }\), normal para o envelhecimento artificial de contrapartes de granulação grossa. Esse comportamento catastrófico de precipitação reduz grandemente o potencial de fortalecimento pelo envelhecimento artificial das ligas de GN produzidas pelo processamento SPD . Outra consequência dessa decomposição da solução sólida supersaturada é a redução significativa da resistência em temperaturas elevadas, devido à rápida recuperação e ao engrossamento dos grãos23. A intratável precipitação a baixa temperatura (geralmente abaixo de ~ 100 ° C e mesmo à temperatura ambiente) de fases precipitadas estáveis torna-se outro desafio de instabilidade térmica que limita seriamente o uso prático de ligas de NG Al e outras ligas de NG com solução sólida supersaturada em temperaturas elevadas , em paralelo com o grave engrossamento de grãos amplamente preocupante24.

Al showing a void. e High-resolution TEM image viewed along <110>Al showing the void. f Measured positron annihilation lifetime of the AlCu-R, AlCu-C, AlCuSc-R, and AlCuSc-C alloys, compared with typical values of room temperature HPT-processed Al alloys in refs. 19,30. The error bars represent standard deviations from the mean for sets of three tests. g A comparison of vacancy concentrations between the AlCu-R, AlCu-C, AlCuSc-R, AlCuSc-C alloys, and other SPD-processed alloys, including Cu34, 316 steels35, Ni34,36, and Al alloys18,31. The error bar on the red data point represents standard deviations from the mean for sets of three tests./p>Al direction (Fig. 1e), which are similar to the voids in pure Al grown from high temperature-induced vacancies27. Additional evidence can be seen in Supplementary Fig. 4. These nanosized voids were not inherently existed in the as-prepared AlCuSc-C alloy, they were created through the coalescence of original vacancies, triggered by low-energy and low-angle ion milling. Under Ar ion bombardment, the collision cascades and induced temperature increase cause the aggregation of vacancies into voids28,29. This implies that a substantially higher concentration of vacancies had been achieved in the NG AlCuSc-C alloy than in the other three NG alloys, despite their comparable grain structure and dislocation density./p>30% of the theoretical vacancy concentration retained. In comparison, the vacancy concentration Cv is just slightly elevated from ~0.3 × 10−2 at.% in the AlCu-R alloy to ~0.4 × 10−2 at.% in the AlCu-C alloy, and to ~1.0 × 10−2 at.% in the AlCuSc-R alloy. The individual effect of 77 K-HPT or Sc microalloying appears weak in promoting Cv. A coupling between the two effects is so strong that boosts the vacancy concentration to a significantly high level (~22 × 10−2 at.%) in the AlCuSc-C alloy./p>Al of the AlCuSc-C alloy, inset is the corresponding fast Fourier transform (FFT) pattern. h Atomic-resolution <100>Al HAADF-STEM image showing the solute complexes in the AlCuSc-C alloy. i Inverse FFT image showing the atom complexes enriched with Cu and Sc./p>15 × 10−3 m0c) due to Cu electrons but also a hump around 10 × 10−3 m0c due to Sc electrons. The agreements indicate that a large fraction of positrons annihilates at vacancies located next to Sc atoms50,51./p> -oriented micropillar) and peak-aged coarse-grained Al- 2.5 wt.%Cu alloy (~0.33 GPa for <110 > -oriented micropillar) (see Supplementary Fig. 15). The high strain hardening rate achieved in the AlCuSc-C alloy is supposed to be due to the strong hindering of moving dislocations by the high-density nanosized atom complexes enriched with Cu, Sc, and excess vacancies, which enhances the accumulation of dislocations. When the moving dislocations encounter complexes, an extra force is needed to break complexes, resulting in a pinning effect on the moving dislocations. This process would increase the opportunities for dislocations to interact with each other, enhancing the accumulation of dislocations in the grain interior and thus the strain hardening ability57./p>