上海交大先进材料与凝固研究所夏明许Acta Mater.：液态AlCu合金成核的界面调控
【引言】
材料的形核行为与生物医学上的生物璃陶瓷合成，汽车或航空航天上高性能材料制备以及功能纳米晶体材料制造等密切相关。以往认为异质形核取决于异质形核基底性质、合金元素以及基底与新晶体之间的晶格匹配。提出了异质形核过程不但与形核核心的尺寸、粒度分布、表面粗糙度、形核基底表面形貌、结构和化学组成有关，还与合金与基体之间的化学反应密切相关。据此，提出了多种异质形核模型用于描述异质形核核心的形核潜力。但上述研究大多分散在不同条件下的不同形核体系中，缺乏系统一致性基础，并且未能对原子尺度上的形核机理做进一步的分析。
【成果简介】
近日，上海交通大学夏明许（通讯作者）及其合作者在Acta Mater.上发表了一篇名为“Interfacial tuning for the nucleation of liquid AlCu alloy”的文章，研究人员通过溶质组成和基体晶格结构调整Al-Cu合金的异质形核界面结构，实现复杂的异质形核过程控制。利用HAADF STEM和EELs技术对原子级异质形核调控机理进行了系统研究。结果表明，溶质元素和基底晶格结构均可用于改变异质形核界面的晶格匹配，其中合金元素Cu吸附在形核界面上，调整新晶体和异质形核基底之间的晶格匹配，而不是改变合金基体本身的晶格结构。研究人员进一步证明了合金的形核能垒（过冷）与晶格错配之间的关系，有助于Al异质形核过程控制的定量研究。
【图文导读】
图1 利用XRD分析在不同Al2O3单晶基底上形核的Al和Al-Cu合金的晶向
a （1010） b（1011）
c（1014） d（0001）
图2 形核界面的典型SEM图像
a Al/(1010)Al2O3
b Al-1.4 wt %Cu/(1010)Al2O3
c Al-4.0 wt %Cu/(1010)Al2O3
d c中较亮区域的EDS分析
图3 分析溶质元素Cu对异质形核界面的影响
a Al-1.4 wt %Cu/(1010)Al2O3界面的STEM HAADF Z-衬度图
b-d EEL光谱图像，EELS-动态图
e-f 考虑0峰的漂移，953 eV下的Cu L2边缘，931 eV下的Cu L3边缘
图4 在Al-Cu/Al2O3界面处的高分辨率HAADF STEM图像和EDX元素图
a 沿[001] Al轴拍摄的高分辨率HAADF-STEM图像
b Al元素分布的EDX图
c Cu元素分布的EDX图
d O元素分布的EDX图
图5 存在于Al-Cu/Al2O3界面处的三种可能的中间层类型
a 在重合位错区域存在具有Al样晶格结构的AlCu固溶体
b-c 在界面处吸附的纯Cu或Al2Cu“单层”
图6 基于Al-1.4wt％Cu/Al2O3异质形核体系的理论晶格错配度预测的理论形核过冷度曲线及对应的实验形核过冷度值
通过合金元素调整与异质形核基底控制，Al及Al-Cu合金的过冷度与理论的过冷度晶格错配预测模型符合较好，表明在Al或AlCu/Al2O3成核体系中，合金元素及异质形核基底均能用于调整Al或Al-Cu合金的异质形核行为。
【小结】
研究人员研究了不同基体不同Cu含量下液态Al的异质形核行为，通过溶质添加和选择不同的单晶基底阐明异质形核控制的原子机理。结果表明，通过优选异质形核基底或添加有效合金元素可促进异质形核发生，降低形核过冷度。形核过冷度由形核界面处的晶格错配度确定的，其中异质形核基底的晶格结构或Cu元素的吸附将改变形核界面的原子结构以获得更好的晶格匹配。AlCu合金的研究进一步证明了作者之前提出的形核过冷度和晶格错配之间的定量关系方程。基于这一方程，可以从异质形核基底的晶格结构和溶质元素的调整两个方面对潜在的形核界面结构调整异质形核的形核行为。
文献链接：Interfacial tuning for the nucleation of liquid AlCu alloy (Acta Mater.,2017,DIO.org/10.1016/j.actamat.2017.07.058)
【团队相关论文】
1.The role of lattice misfit on heterogneous nucleation of pure Aluminum, Metallurgical and matetrials transactions A, 47（2016）5012,
2.Misfit paradox on nucleation potency of MgO and MgAl2O4 for Al, Materials Characterization, 119(2016)92. DIO：https://doi.org/10.1016/j.matchar.2016.07.018
3. Formation of MgAl2O4at Al/MgO interface, Materials Transactions, 56(2015)277. https://doi/10.2320/matertrans.M2014345
4.Epitaxial growth in heterogeneous nucleation of pure Aluminum, Matrials Letters, 132(2014)52.https://doi.org/10.1016/j.matlet.2014.06.051
上海交通大学先进材料与凝固实验室(LAMS)团队介绍：
973首席科学家、国家杰出青年基金获得者李建国教授领导的上海交通大学先进材料与凝固实验室的目标是通过对凝固过程的直接观察和理论模拟，深入了解凝固过程发生的本质，并通过对凝固过程的精准控制，达到铸造完美铸件的目标。因此，将着力于发展与凝固过程相关的原位观察技术、理论模拟技术、过程控制技术，并尽我所能的将我们所观察到的结果与实际应用相结合，发展具有创新特性、可持续发展的新型凝固技术，使之能服务于铸造企业及其客户，帮助他们向客户提供具备竞争性的产品，抢占全球市场先机。
为达到以上目标，研究所注重在以下两个方面做出努力：
1、凝固理论
凝固过程是一个由液相向固相转变的过程，但该过程并非一维，单向过程。其在形核过程中的竞争性行为决定了凝固组织的相组成及组织形貌，并导致其性能具有天壤之别。LAMS将从凝固过程中液态金属的结构转化、液固界面的形成，以及形核、生长过程的控制三个方面对凝固过程进行剖析，将借助于同步辐射原位观察，高分辨透射电镜等多种分析测试手段以及第一性原理、分子动力学模拟、相场模拟等，对凝固过程的原子机理，物理、化学过程进行分析，以期建立起基于原子尺度的凝固过程本征方程，并基于对凝固过程的理解发展一系列凝固控制技术。
2、凝固技术
传统的凝固过程是一个烟熏火燎，尘土飞扬的环境，对凝固过程本身的弱控制，也使得铸件具备或多或少的铸造缺陷，并影响了后续的使用的加工使用性能。尤其是在大型铸锻件中，铸件质量的好坏直接决定了后续锻造过程的热处理和锻造工艺。即使是小型零部件，以高质量精密铸造替代切削、锻造工艺也能极大的节省加工成本。当然，更重要的是减少在后续加工过程中由于热处理、切削过程造成的对材料、能源的浪费，从而减缓对环境资源的消耗，满足社会对可持续性发展的需求。LAMS通过对凝固过程的理解，创新发展凝固技术，加深对凝固过程本身的控制，从而达到控制铸件微观组织以及宏观结构的目的，使铸件最大可能的接近最终使用的需求，并尽可能缩短后续加工流程。
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通过优选异质形核基底或添加有效合金元素可促进异质形核发生，降低形核过冷度。