【導讀】隨著對節(jié)能結(jié)構(gòu)材料需求的不斷增長，開發(fā)輕質(zhì)高強度的鋁合金一直是人們的追求。通常，鋁合金中鋁的含量超過85%，要進一步降低密度，需引入更多輕元素。然而，超出這些元素在鋁中的溶解度極限，可能導致合金主要由金屬間化合物（IMC）組成，缺乏延性面心立方（FCC）基體，從而導致力學性能惡化。

此外，強度通常隨著密度的降低而降低，這導致在鋁合金中實現(xiàn)高比強度具有很大的挑戰(zhàn)性?；趶碗s濃縮合金（CCA）概念引入高構(gòu)型熵已被證明是一種有效的方法，可以穩(wěn)定固溶體相，防止形成遠超傳統(tǒng)溶解度極限的IMC。單相固溶體鋁基CCA的缺乏主要是由于鋁和其他輕元素之間原子半徑和電負性差異顯著，導致體系高混合焓（H）和低過剩熵（SE）。

在這種情況下，化學有序的IMC更容易形成。盡管升高溫度可以增強熵效應，提高某種元素在另一種元素中的溶解度，但是對于鋁合金來說，在高溫熔體淬火凝固過程中仍然容易形成金屬間化合物，因此僅通過升高溫度產(chǎn)生的熵效應仍然不夠。

　　【成果掠影】為解決這一問題，北京科技大學新金屬材料國家重點實驗室呂昭平、吳淵教授團隊與北京高壓科學研究中心曾橋石研究員合作，提出了一種新方法，通過高溫高壓手段，直接將鋁基CCA中的多種脆性相轉(zhuǎn)變?yōu)閱蜗嘌有怨倘荏w。成功開發(fā)出一種單相FCC結(jié)構(gòu)的鋁基CCA，Al55Mg35Li5Zn5，其密度低至2.40g/cm3（低于大多數(shù)鋁合金~2.8g/cm3），比屈服強度達到344×103N·m/kg（目前鋁基合金通常約為200×103N·m/kg）。

分析表明，單相CCA的形成歸因于高壓下溶質(zhì)元素與鋁之間原子尺寸和電負性差異的減少，以及高溫高壓條件下的協(xié)同高熵效應。超高的強度來自于單一FCC晶格中多種元素導致的固溶強化，以及納米級化學波動引起的位錯釘扎效應。

相關(guān)工作以“Lightweight single-phase Al-based complex concentrated alloy with high specific strength”為題在線發(fā)表在《Nature Communications》上。論文第一作者為博士生韓明亮。

　　【核心創(chuàng)新點】

1、單相鋁基CCA開發(fā)：創(chuàng)新性引入高溫高壓技術(shù)，成功將多相IMC轉(zhuǎn)化為單相FCC結(jié)構(gòu)，開發(fā)了一種新型的輕質(zhì)單相鋁基復雜濃縮合金（CCA）。

2、優(yōu)異的力學性能：開發(fā)的單相鋁基CCA超低的密度源于額外量更輕元素（Li、Mg）的引入；高比強度主要源于固溶強化、局域化學成分波動強韌化。

3、合金設(shè)計普適性：建立了高溫高壓制備單相輕質(zhì)CCA固溶體的普適性準則，為更多輕質(zhì)CCA的設(shè)計開發(fā)提供了指導。

　　【數(shù)據(jù)概覽】

圖1 鑄態(tài)和高溫高壓合成的Al55Mg35Li5Zn5樣品的表征?

圖2 力學性能?

圖3 單相Al55Mg35Li5Zn5 CCA的變形行為?

圖4 原位高壓同步輻射揭示單相FCC的相形成機制?

圖5 元素半徑、局部原子應變（λ）、電負性和過剩熵（SE）隨壓力的變化?

　　【成果啟示】綜上，研究人員創(chuàng)新性地利用高溫高壓手段，將鋁基CCA中的多種脆性相轉(zhuǎn)變?yōu)閱蜗嘌有怨倘荏w。成功開發(fā)出一種具有優(yōu)異力學性能的單相面心立方結(jié)構(gòu)鋁基CCA。本研究成功將鋁合金從相圖端際拓展到未開發(fā)的中間區(qū)域，提供了更廣闊的成分設(shè)計空間，為高性能鋁合金的開發(fā)帶來了新機遇！該研究還建立了高溫高壓制備單相輕質(zhì)CCA固溶體的普適性準則，為開發(fā)更多的單相固溶體輕質(zhì)CCA提供了指導。此外，通過進一步合金成分的設(shè)計和后期熱處理工藝，有望制備更大尺寸更強更韌的高熵鋁合金或其他高性能合金。