应变诱导Al-Li合金AA2099中沉淀与偏析的协同演化机制及其对微观结构优化的启示

本研究通过高压扭转(HPT)技术系统研究了AA2099 Al-Li合金在室温剧烈塑性变形过程中微观结构的化学-机械协同演化规律。首次观察到Li修饰位错环、Mg-Zn偏析纳米团簇的动态形成与溶解，揭示了应变依赖的溶质重分布机制，为航空航天用铝锂合金的微观结构设计提供了理论指导。

　　

在航空航天领域，铝锂(Al-Li)合金因其优异的强度重量比成为关键结构材料，其中AA2099作为2xxx系列代表，其性能主要依赖T₁(Al₂CuLi)、δ?(Al₃Li)等纳米沉淀相。然而，剧烈塑性变形(SPD)过程中溶质原子的异常扩散行为及其对微观结构的影响机制尚不明确，这限制了材料性能的精准调控。印度科学院的Shavi Agrawal团队在《Scripta Materialia》发表的研究，通过高压扭转(HPT)这一典型SPD技术，首次揭示了应变梯度下Al-Li合金中溶质偏析与沉淀相的动态竞争机制。

研究采用溶液处理(ST)后的AA2099合金，通过HPT在6 GPa压力下实现0.25R至5R的应变梯度。结合透射电镜(TEM)、原子探针断层扫描(APT)和扫描透射电镜-能谱(STEM-EDS)等多尺度表征技术，系统分析了等效应变(ε_eq)从0到68的微观结构演变。

微观结构演化与应变依赖关系

在低应变(ε_eq～3.5)阶段，HAADF-STEM观察到Mg-Zn富集团簇在晶界(GBs)的偏析，APT首次捕捉到直径15 nm的Li-Cu共格位错环，其中Li浓度高达11 at.%。这种溶质装饰现象可降低位错环的弹性应变能。同时，Al₂₀Cu₂Mn₃沉淀相从棒状转变为十边形截面形态。

稳态应变下的结构重组

当ε_eq达到68时，位错密度从2.9×10¹⁵ m^-2降至1.6×10¹⁵ m^-2，动态再结晶导致晶粒细化至80×50 nm。此时Mg-Zn团簇溶解，Cu-Zn沉淀相选择性地在三叉晶界析出，而β?(Al₃Zr)沉淀始终保持球形稳定性。APT证实Li团簇因高表面能在此阶段发生回溶。

该研究阐明了SPD过程中缺陷密度与溶质扩散的耦合效应：低应变下高缺陷密度促进室温溶质扩散，导致非平衡晶界偏析；而稳态应变下缺陷重组引发溶质再分布。这些发现为通过应变工程调控Al-Li合金沉淀行为提供了新思路，特别是Li位错环的发现为理解轻元素在变形中的作用开辟了新视角。研究建立的应变-微观结构关联模型，对开发新一代高强韧铝锂合金具有重要指导价值。