Scripta Mater前沿：Purdue团队揭示晶界角度如何调控铝合金溶质分布

摘要：本研究通过结合能量色散X射线光谱（EDS）、高分辨扫描透射电子显微镜（HRSTEM）和自动晶体学标定与取向映射技术，定量分析了纳米晶Al-1Mg（原子百分比）合金中晶界的溶质偏聚行为，并探究了溶质偏聚与晶界取向差角的依赖关系。结果表明，由于高角度晶界（HAGB

晶界（GBs）处的化学偏聚在铝合金中已被广泛研究，但关于溶质偏聚与晶界特性依赖关系的实验证据仍然有限。

本研究通过结合能量色散X射线光谱（EDS）、高分辨扫描透射电子显微镜（HRSTEM）和自动晶体学标定与取向映射技术，定量分析了纳米晶Al-1Mg（原子百分比）合金中晶界的溶质偏聚行为，并探究了溶质偏聚与晶界取向差角的依赖关系。结果表明，由于高角度晶界（HAGBs）具有更高的过剩自由体积，其Mg溶质偏聚量显著多于低角度晶界（LAGBs）。此外，共格孪晶界（CTBs）的溶质偏聚程度较低，而非共格孪晶界（ITBs）则表现出更高的溶质浓度。这种差异源于两类孪晶界的结构特性。本研究揭示的溶质偏聚行为为铝合金的晶界工程提供了重要参考。

1. 晶界溶质偏聚与取向差角的定量关联

首次通过实验定量揭示了纳米晶Al-1Mg合金中Mg溶质偏聚浓度与晶界取向差角的直接关系，证实高角度晶界（HAGBs）因更大的过剩自由体积比低角度晶界（LAGBs）容纳更多溶质，为晶界工程提供了数据支撑。

2. 共格/非共格孪晶界偏聚行为的对比研究

明确区分了共格孪晶界（CTBs）与非共格孪晶界（ITBs）的溶质偏聚差异：CTBs几乎无偏聚，而ITBs因结构畸变表现出显著Mg富集，揭示了孪晶界结构特性对偏聚的关键影响。

3. 多尺度表征技术的协同应用

结合原子级分辨HRSTEM、ASTAR自动晶体学标定和EDS线扫描技术，实现了对500余个晶界的统计性分析，突破了传统研究在空间分辨率和统计可靠性上的局限。

3. 研究背景

溶质在晶界（GB）的偏聚是金属材料中广泛研究的课题。由于晶界相比晶格具有更高的能量和更大的过剩自由体积，溶质原子通常会自然偏聚至晶界。溶质偏聚倾向可通过偏聚能来量化，而偏聚能由晶界特性决定。一般而言，具有较大过剩自由体积或较高晶界能的晶界更容易容纳溶质偏聚。

纳米晶（NC）金属材料含有大量晶界，因此溶质偏聚行为备受关注。晶界溶质偏聚对纳米晶铝合金的性能具有深远影响。例如，Al-Mg合金中Mg溶质的偏聚可显著提高硬度和屈服强度；在纳米晶Al-Zn合金中，Zn溶质偏聚至晶界会促进晶界滑移，从而改善变形能力。溶质偏聚还会改变纳米晶铝合金的耐腐蚀性——溅射Al-Mg合金中Mg溶质偏聚至晶界会导致晶界酸蚀。此外，溶质偏聚还能提升铝合金的热稳定性：从热力学角度看，某些溶质可降低晶界能从而提高稳定性；从动力学角度看，溶质拖曳效应可有效抑制晶界迁移，增强热稳定性和机械稳定性。

第一性原理计算、分子动力学模拟和机器学习已预测了纳米晶铝合金中的溶质偏聚行为。晶界能和过剩自由体积与晶界取向差角和结构密切相关。近期，Pal等人通过分析纳米晶铝的晶界过剩自由体积，揭示了偏聚能与过剩自由体积的强相关性；Wagih和Schuh则提出多晶铝合金的溶质偏聚强度可通过晶界偏聚能谱量化。尽管已有实验观察到铝合金中的晶界溶质偏聚现象，但关于溶质偏聚与晶界特性及取向差角依赖关系的系统性实验证据仍较为缺乏。

本研究通过结合纳米级自动晶体取向映射技术（ASTAR）和能量色散X射线光谱（EDS），探究了溅射Al-1Mg（原子百分比）合金中溶质偏聚行为与晶界取向差角的关联。结果表明，Mg溶质偏聚浓度随晶界取向差角增大而升高（孪晶界除外）。高角度晶界（HAGBs）的溶质偏聚强度显著高于低角度晶界（LAGBs）。共格孪晶界（CTBs）几乎无溶质偏聚，而非共格孪晶界（ITBs）则表现出较高的溶质浓度。这种差异源于两类孪晶界的结构特性差异。本研究为铝合金的晶界工程设计提供了重要依据。

4. 图文解析

图1.(a) Al-1Mg薄膜的HAADF-STEM显微图像。(b) 同一区域的Al-1Mg晶界图，叠加图像质量图。(c) 图1(a)同一区域的Al-1Mg反极图（IPF）。(d) 图1(a)同一区域的Mg元素EDS能谱图。

图2.(a) 沿图1(c)中白箭头标记线“2a”跨越3个高角度晶界（HAGBs）的EDS线扫描结果。(b) 沿图1(c)中标记线“2b”跨越1个低角度晶界（LAGB）的EDS线扫描结果。(c) 沿图1(c)中标记线“2c”跨越2个孪晶界（TBs）的EDS线扫描结果。(d) 沿图1(c)中标记线“2d”跨越1个孪晶界的EDS线扫描结果。

图3. Al-1Mg薄膜的高分辨STEM图像及EDS线扫描结果。(a) 显示含一组共格孪晶界（CTBs）晶粒的HRSTEM图像。(b) 图3(a)中CTBs的放大视图。(c) 沿图3(a)中白箭头标记线“c”跨越1个HAGB的EDS线扫描结果。(d) 沿图3(a)中白箭头标记线“d”跨越另1个HAGB的EDS线扫描结果。(e) 沿图3(b)中白箭头标记线“e”跨越2个CTBs的EDS线扫描结果。

图4.(a) 显示含1个非共格孪晶界（ITB）和一组CTBs晶粒的HRSTEM图像。(b) 图4(a)中孪晶界的放大视图。(c) 沿图4(b)中黑箭头标记线“c”跨越1个CTB的EDS线扫描结果。(d) 沿图4(b)中黑箭头标记线“d”跨越另1个CTB的EDS线扫描结果。(e) 沿图4(b)中黑箭头标记线“e”跨越1个ITB的EDS线扫描结果。