铝锂合金时效处理过程中的晶界偏析行为及其微观机制

Al-Li alloys are one of the fastest developing lightweight-structural materials among aerospace materials, but their output and quality far from being able to meet the increasing demand in aerospace industry. Grain boundary segregation often occurs during the aging process of Al-Li alloys, and a deep understanding about this phenomenon and related micro-mechanisms is the basic to regulate grain boundary precipitation structures and to design Al-Li alloys in further. However, due to formidable difficulties in characterizing both grain boundary structure and grain boundary chemical composition on the atomic scale, the understanding about the micro-mechanism of grain boundary segregation in Al-Li alloys is still very limited, which will prevent the development of Al-Li alloys. This project will study the grain boundary segregation during the aging process of Al-Li alloys by using Phase-field crystal model. Specifically, we will analyze the correlation between grain boundary structure and solute segregation, uncover the effects of intergranular structures on grain boundary segregation, and clarify grain boundary segregation behavior of different elements and their influence on the grain boundary segregation behavior of Li. This project will contribute to a deep understanding about the factors and mechanism of grain boundary segregation on atomic scale, and in further provide valuable clues for the design of Al-Li alloys.

铝锂合金是近年来发展非常迅速的轻量化航宇结构材料，但目前其产量和性能与应用需求仍有较大差距。铝锂合金在时效处理时易发生晶界偏析，对其晶界偏析规律及机制的深刻理解是调控晶界沉淀相组织进而优化合金设计的前提和基础。然而由于基于原子尺度对晶界结构和晶界化学成分的实验表征困难极大，目前对铝锂合金晶界偏析规律及其微观机制的认识还很不深刻，这严重制约了先进铝锂合金材料的进一步发展。本项目将采用晶体相场模型系统研究铝锂合金时效处理过程中的晶界偏析机制及规律，阐明晶界结构与晶界偏析的关联，揭示晶界内部结构对晶界偏析的作用机制，理清不同类型组元的晶界偏析行为以及其他组元对锂原子的晶界偏析行为的影响。项目的完成，将从原子层面揭示铝锂合金时效处理过程中晶界偏析行为的影响因素和机理，为新型铝锂合金设计提供理论指导。

铝锂合金在时效处理时易发生锂元素在晶界富集，严重影响铝锂合金的强韧性，有效控制锂在晶界偏聚为铝锂合金设计及制备的重要考量。然而，在实际生产中，锂的偏析难以控制，通常仅仅通过降低合金锂的成分来控制其偏析，故从第一代到最新的铝锂合金，锂的成分呈减小趋势，削弱了铝锂合金高比强高比模优势。对锂的晶界偏析规律及微观机理的深刻认识可为铝锂合金锂的偏析问题的控制提供理论支撑。为了揭示铝锂合金锂的晶界偏析规律及微观机理，本项目分别利用晶体相场模型、分子动力学/蒙特卡洛（Molecular dynamic /Monte Carlo：MD/MC）混合模拟方法对铝锂合金晶界偏析与晶界结构的关联关系、不同晶界结构的锂原子偏析的微观机理、以及晶界偏析对晶界成分和结构的影响展开研究。本项目的研究拓宽了晶界偏析的研究方法和技术，加深了我们对晶界偏析微观机理的认识，具体成果如下：1、开发了两种基于原子尺度的晶界偏析研究方法，即铝锂二元合金的晶体相场模拟模型及其程序、金属合金晶界偏析的MD/MC混合模拟方法。2、揭示了不同晶界结构的铝固溶体中锂的偏析程度，及其与晶界结构的关联关系。3、基于原子尺度，揭示了晶界内部结构如晶内位错、结构单元、微观台阶等亚结构与锂原子的相互作用机理，解释了晶界是如何吸附及容纳过量的溶质原子这一长期没有得到解决的问题。4、研究了晶界偏析对晶界结构和后续相变的影响，特别是从溶质-结构相互作用的角度研究了晶界偏析对晶界析出早期相变的影响。