《Journal of Materials Research and Technology》：Development of post-processing technology enabling a fourfold improvement in the productivity of L-PBF fabricated Inconel 718 components
編輯推薦：
為深入理解鋁合金中鋰元素的偏析行為及其對微觀結(jié)構(gòu)和性能的影響，研究人員結(jié)合氣體霧化、掃描電鏡/電子背散射衍射表征和第一性原理計算方法，系統(tǒng)研究了Al-2wt.% Li合金粉末的晶界特征與鋰偏析機制。研究發(fā)現(xiàn)，鋰優(yōu)先在Σ3、Σ5、Σ7等特定晶界及三叉晶界處偏析，且人工時效后偏析加劇；第一性原理計算證實Σ5(310)晶界對鋰的親和力最強。該成果為優(yōu)化鋁鋰合金的成分設(shè)計與熱處理工藝提供了關(guān)鍵的理論依據(jù)。
在現(xiàn)代航空航天和交通運輸領(lǐng)域，減輕結(jié)構(gòu)重量以提升效率和性能是永恒的主題。鋁鋰合金因其出色的“減重又增剛”特性備受青睞——每添加1wt.%的鋰，合金密度可降低約3%，而楊氏模量則能提升約6%。然而，這把“雙刃劍”的另一面，是鋰元素帶來的棘手問題。鋰在鋁基體中的溶解度隨溫度劇烈變化，并且在凝固和后續(xù)熱處理過程中，極容易從晶粒內(nèi)部“跑”到晶界（GBs）等界面處聚集，即發(fā)生偏析。這種偏析行為如同在材料的微觀世界中埋下了隱患，它不僅會影響強化相的析出，還可能削弱晶界結(jié)合力，加劇材料的沿晶開裂和脆化，直接威脅到構(gòu)件的服役安全與壽命。盡管以往研究已觀察到鋰在晶界的富集現(xiàn)象，但對于鋰究竟偏愛“定居”在哪類晶界、偏析的程度如何、其背后的原子尺度機制是什么，仍缺乏清晰、定量的認識。為了破解這些難題，揭開鋁鋰合金微觀世界中鋰的“遷移地圖”與“定居偏好”，一項結(jié)合了先進實驗表征與理論計算的研究在《Journal of Materials Research and Technology》上展開。
研究人員主要運用了以下幾項關(guān)鍵技術(shù)方法：首先，采用氣體霧化法制備了平均粒徑約20微米的純Al粉末和Al-2 wt.% Li合金粉末，并對合金粉末進行了180°C/10小時的人工時效處理以實現(xiàn)微觀結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。其次，利用配備有能譜儀（EDS）和電子背散射衍射（EBSD）系統(tǒng)的掃描電子顯微鏡（SEM）對粉末顆粒的形貌、成分分布、晶粒取向、晶界特征及相分布進行了全面表征。最后，基于共格點陣（CSL）模型構(gòu)建了六種代表性晶界的原子模型，并采用第一性原理計算（基于VASP軟件包）量化了鋰在不同晶界位點上的偏析能，從能量角度揭示了鋰的偏析傾向與位點選擇性。
3.1. 粉末顆粒的微觀結(jié)構(gòu)特征
通過SEM和EDS分析發(fā)現(xiàn)，純Al粉末和Al-Li合金粉末均呈現(xiàn)出高度球形化形貌。添加Li使合金粉末的平均粒徑略微減小（約17微米 vs. 純Al的20微米），且顆粒表面出現(xiàn)更細微的紋理，這歸因于Li對凝固行為的影響。相關(guān)結(jié)果可見于展示粉末形貌、元素分布及粒徑分布的圖表中。
3.2. 純Al晶粒的微觀結(jié)構(gòu)特征
對純Al粉末的EBSD分析表明，其內(nèi)部主要由等軸晶組成，晶體取向隨機，晶內(nèi)取向均勻性高（GOS值低），平均晶粒尺寸約3.6微米。晶界分析識別出Σ3(121)、Σ5(310)等少數(shù)幾種CSL晶界，但微觀結(jié)構(gòu)仍以大量無法歸類的高角晶界為主，表明快速凝固過程形成了較為復(fù)雜的晶界結(jié)構(gòu)。晶界分布圖直觀展示了這一特征。 10°), white solid lines represent low-angle GBs (misorientation ≤ 10°), and colored solid lines mark CSL GBs that satisfy specific criteria.">
3.3. Al-Li合金晶粒的微觀結(jié)構(gòu)特征
Al-Li合金粉末同樣以等軸晶為主，但與純Al相比，出現(xiàn)了沿特定晶體學(xué)方向的弱織構(gòu)，且晶內(nèi)取向均勻性略有下降，晶粒尺寸分布更寬，表現(xiàn)出更不均勻的晶粒生長。相分布圖清晰地顯示，Li元素主要富集在晶界及三叉晶界處，晶內(nèi)分布稀疏，呈現(xiàn)出“界面富集、晶內(nèi)稀疏”的典型偏析模式。研究觀察到Li優(yōu)先在Σ3(121)、Σ7(213)等CSL晶界偏析。 10°), white solid lines represent low-angle GBs (≤10°), and colored lines mark the identified CSL boundaries.">
3.4. 人工時效后Al-Li合金的晶粒微觀結(jié)構(gòu)特征
經(jīng)過180°C/10小時的人工時效處理后，Al-Li合金粉末的晶粒取向分布趨于均勻，弱織構(gòu)傾向減弱，晶粒尺寸分布變窄，表明時效處理促進了微觀結(jié)構(gòu)的均質(zhì)化。與此同時，相分布圖顯示，Li在晶界和晶界交匯處的偏析更加明顯，形成了沿晶界連續(xù)的富Li帶。Li優(yōu)先在Σ3(121)、Σ5(310)、Σ7(213)等CSL晶界偏析和析出。
3.5. Li在鋁合金晶界偏析的第一性原理計算結(jié)果
為從原子尺度理解偏析機制，研究構(gòu)建了Σ3(121)、Σ5(310)、Σ7(213)等六種CSL晶界模型進行第一性原理計算。計算發(fā)現(xiàn)，Li在不同晶界及其不同位點上的偏析能存在顯著差異，表現(xiàn)出強烈的位點選擇性。其中，Σ5(310)晶界對Li的親和力最強（最低偏析能為-0.16 eV），其次是Σ17(410)和Σ7(213)，而Σ27(115)晶界對Li偏析在能量上不利（偏析能為正值）。這一計算結(jié)果與實驗中觀察到的Li在Σ5(310)等晶界富集、而在Σ27(115)晶界無富集的現(xiàn)象高度吻合。計算所用的晶界原子模型及偏析能對比圖清晰地闡述了這一結(jié)論。
本研究通過綜合實驗與理論計算，揭示了氣體霧化鋁鋰合金粉末中鋰元素的微觀偏析行為與機制。主要結(jié)論包括：第一，鋰的添加細化了粉末粒徑，但使得凝固組織更不均勻，表現(xiàn)為弱織構(gòu)和晶內(nèi)取向差增加，說明鋰阻礙了快速凝固過程中的再結(jié)晶。第二，人工時效處理能夠促進Al-Li合金微觀結(jié)構(gòu)的均質(zhì)化，提升晶界穩(wěn)定性。第三，鋰表現(xiàn)出強烈的界面驅(qū)動偏析行為，優(yōu)先富集于晶界及三叉晶界，為第二相的形核和界面演化提供了有利位點。第四，第一性原理計算定量揭示了鋰偏析對晶界類型的高度選擇性，明確了Σ5(310)晶界具有最強的鋰捕獲能力。
這項研究的重要意義在于，它首次通過系統(tǒng)的EBSD晶界表征與第一性原理計算相結(jié)合，定量闡明了鋰在不同類型CSL晶界上的偏析傾向與能量學(xué)規(guī)律，將實驗觀測與原子尺度機理緊密聯(lián)系起來。研究成果不僅深化了對鋁鋰合金中溶質(zhì)偏析行為的科學(xué)認識，而且為通過精準調(diào)控晶界特征（如促進或抑制特定CSL晶界形成）和優(yōu)化熱處理工藝（如控制時效參數(shù)以管理鋰的擴散與偏析）來改善鋁鋰合金的微觀結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與力學(xué)性能提供了關(guān)鍵的理論依據(jù)和實驗支持，對于推動高性能輕量化鋁鋰合金在航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)價值。
