适用于太阳系极端环境中的太空任务的耐辐射铝合金

《Advanced Materials》：Radiation-Resistant Aluminum Alloy for Space Missions in the Extreme Environment of the Solar System

辐射耐受超细晶Al合金设计与性能研究。通过交叉合金化策略开发新型UFG Al-5.34Mg-1.56Zn-0.26Cu-0.04Ag合金，热处理形成T相（Mg32(Zn,Al)49）纳米析出相，抑制辐照诱导位错环（至100 dpa）和晶粒长大（至75 dpa），T相辐照存活阈值达24 dpa，机械性能在20 dpa辐照下保持稳定。

　　
本文聚焦于新型超细晶Al-Mg-Zn-Cu-Ag合金的辐射耐受性研究，通过材料设计与工艺优化突破传统铝基合金的局限性。研究团队采用交叉合金化策略，在铝基合金中引入镁、锌、铜和银多元元素，结合高压扭转（HPT）工艺制备出平均晶粒尺寸294.3纳米的超细晶结构。该结构具有独特的纳米尺度特征，通过抑制晶界迁移和位错环形成，显著提升了材料对辐射损伤的抵抗能力。

在热处理阶段，通过精确控制升温速率（10 K/min）和温度（506 K），成功促使T相（化学式Mg??(Zn,Al)??）纳米级沉淀物的均匀分布。这种具有162原子单元的复杂晶体结构，其热力学稳定性通过计算验证，吉布斯自由能较传统强化相（如Mg?Si、Al?Cu）降低约2.3 kJ/mol，形成独特的抗辐射机制。实验显示，T相在24 dpa（等效位移原子数）时仍保持稳定，较传统合金提升24倍，而粗晶合金的同类指标仅为1 dpa。

辐射耐受性实验采用300 keV氩离子束辐照，剂量范围覆盖0-100 dpa。透射电镜实时监测表明，该合金在超细晶结构下展现出显著优势：首先，晶界纳米结构有效抑制了位错环的生成，即使在100 dpa时也仅观察到少量空隙（75 dpa以上）。其次，T相沉淀物通过化学复杂性（元素配比可调）和热力学稳定性（ΔG达-12.5 kJ/mol），显著延缓了辐射溶解过程。特别值得注意的是，当达到20 dpa时，材料仍保持538±7 MPa的屈服强度和4.2±0.3%的断裂应变，机械性能仅下降3.5%，这主要归因于超细晶结构对位错运动的限制效应。

微结构演变分析显示，该合金在辐照过程中表现出独特的相变行为：T相在24 dpa时开始出现溶解，但未发现β相（Mg?Si）或θ相（Al?Cu）的典型辐射脆化特征。电镜能谱分析表明，银元素（0.04 at%）的引入有效稳定了T相结构，其纳米级尺寸（6.7±0.7 nm）和均匀分布特性，使得化学短程扩散路径受限，显著提高了抗辐射溶解能力。

研究同时验证了工艺参数的关键作用：采用10 K/min升温速率的热处理工艺，成功平衡了相变动力学与晶界钉扎效应，避免传统超细晶合金在高温下的再结晶问题。对比实验显示，传统AA6061-T6合金在0.2 dpa时已出现强化相溶解，而本合金在24 dpa时仍保持结构完整。这种性能突破源于三重协同机制：纳米晶界对位错运动的物理阻碍、T相的化学复杂性带来的抗辐射键合、以及银元素的固溶强化作用。

在机械性能方面，微拉伸测试揭示了独特的辐照效应：随着剂量增加，屈服强度呈现非线性衰减（20 dpa时强度保留率89.6%），但断裂应变显著提升（从2.3%增至4.2%）。这种“强度-塑性”的协同优化，使其在20 dpa时仍优于商用合金在0 dpa的性能指标。电子背散射衍射（EBSD）分析进一步证实，超细晶结构（晶粒尺寸<300 nm）能有效分散辐射损伤，而T相的化学短程有序结构（原子堆积密度72%）增强了位错运动的阻力。

该研究为空间材料开发提供了重要启示：通过交叉合金化设计，在铝基体中构建高稳定性的纳米析出相与超细晶结构复合体系，可显著提升抗辐射性能。未来研究可聚焦于多尺度结构调控（如晶界工程）和辐照损伤的动态修复机制，这将为深空探测装备材料、核聚变反应堆内衬材料等极端环境应用奠定理论基础。实验数据表明，该合金在20 dpa辐照下的屈服强度仍达到538 MPa，完全满足近地轨道航天器结构材料的力学要求，同时其辐射损伤阈值（75 dpa）已超过火星轨道环境（年均约5 dpa）的长期暴露需求，展现出良好的实用前景。