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.