题目：Unveiling the fine microstructure of nanoscale composite particles embedded in brittle Si phase in an Al-Si-Cu-Mg alloy
第一作者： 席海辉
通讯作者： 明文全、陈江华
通讯单位： 湖南大学
论文doi： https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2022.164238
1、 全文速览
镶嵌在共晶Si相中的纳米Al颗粒被认为具有提高AlSi合金韧性的潜力。但是，在含Cu的AlSi合金中，对这种纳米Al颗粒的成分和结构知之甚少。本文作者利用先进的球差校正透射电子显微镜和三维重构技术，揭示了在Al-Si-Cu-Mg合金中，不含孔洞的纳米颗粒是由纯Al（fcc）相和AlCu（B2）相构成的复合颗粒且具有三种晶体学取向关系。AlCu相倾向于在共晶Si相和Al相的界面处生长。本文提出这种AlCu复合颗粒是在凝固过程中直接从熔体中形成的而不是从固溶体中析出的。AlCu相在Si表面的异质形核对AlCu复合颗粒的形成至关重要。
2、 背景介绍
AlSi合金以其高比强度，优异的铸造性和较低的成本而广泛应用于汽车工业。然而，粗大的不规则板片状共晶Si相导致合金韧性较差，限制了其应用。近年来，研究人员发现在共晶Si相中形成的纳米Al颗粒可以降低共晶Si相的断裂倾向，提高合金韧性。然而到目前为止，尚未能实现对这种颗粒的原子分辨率成像以确定其结构，这是因为这种球形颗粒通常埋在Si基体中使得在透射电镜照片中只能观察到摩尔条纹。揭示这种颗粒的精细结构将有助于定量理解其与力学性能的关系。另外，对于这种颗粒的形成机制也存在争议，一种观点认为其是从过饱和Si中析出的Al合并成的球形液滴凝固而成，另一种观点认为其是从Si的过饱和固溶体中析出并被O原子或颗粒边缘的孔洞固定。在含Cu的AlSi合金中，纳米Al颗粒和共晶Si相的界面处发现有Cu偏聚。然而，Cu是以固溶原子的形式还是以含Cu相的形式存在尚不清楚。据文献报道，在Si、Al固液界面会形成Cu岛，但是Cu岛的具体结构尚不清楚，利用先进的球差矫正电镜成像，将有助有深入理解Cu在这类纳米颗粒形成时的作用。
3、 本文亮点
发现了在Al-Si-Cu-Mg合金中，共晶Si相中的纳米颗粒是由Al相和AlCu相构成的复合颗粒。AlCu相具有B2结构，单胞常数为a = 0.30 nm。AlCu相倾向于在共晶Si相和Al相的界面处生长。还发现了纳米颗粒与Si基体具有三种不同的晶体学取向关系。
4、 图文解析
图1 A356合金中共晶Si相中的纳米Al颗粒的形貌，成分及热处理过程中的尺寸变化
图2 Al-Si-Cu-Mg合金共晶Si相中的纳米颗粒的形貌和热处理过程中的尺寸变化
图3 Al(Cu)复合颗粒的EDS面扫描图
在A356合金和A356-Cu合金共晶Si相中均发现大量的纳米颗粒。在A356合金中，纳米颗粒为纯Al且在颗粒周围伴随着一个突起的孔洞，而在A356-Cu合金中，纳米颗粒不含孔洞，且由成分不同的两部分构成，分别为富Al区域和富Cu区域，称其为Al(Cu)颗粒。Cu倾向于在Al和Si的界面偏聚。两种颗粒均表现出优异的热稳定性。
图4 Al(Cu)颗粒的原子分辨率HAADF像
图5 Al(Cu)颗粒与Si基体的晶体学取向关系
精细的透射电镜表征表明，Al(Cu)颗粒由两种晶体结构不同的相组成，分别为Al相和AlCu相。且Al(Cu)颗粒与Si存在三种不同的晶体学取向关系。
图6 Al(Cu)颗粒的三维重构结果
5、 总结与展望
本研究中，作者首次获得了纳米颗粒的原子像，证实了在A356合金中，纳米颗粒为Al颗粒并在颗粒边缘伴随有一个孔洞；而在A356-Cu合金中，纳米颗粒为Al和AlCu相（B2结构）的两相复合颗粒且没有孔洞，并发现了复合颗粒与Si基体具有三种不同取向关系。此外，提出了一种新的颗粒形成机制来解释在含Cu的AlSi合金中观察到的独特纳米复合颗粒。该研究为理解Al-Si-Cu-Mg合金的凝固过程及优化合金成分设计提供了新的思路。
6、 作者介绍
席海辉，2012-2022在湖南大学材料科学与工程学院攻读学士和博士学位，师从陈江华教授从事铝合金的微观结构研究。
明文全，湖南大学材料学院助理教授，主要研究电子显微学理论方法及其在材料研究中的应用。在Ultramicroscopy、IEEE TIP、JMST和JAC等期刊上发表论文十余篇。
陈江华，湖南大学材料学院教授，全国首批“黄大年式教师团队”负责人，全国优秀科技工作者，教育部科技委材料学部委员，亚太材料科学院院士。长期从事材料的微结构表征研究和先进电子显微学技术的理论和方法学研究。曾是世界上第一台球差矫正电镜样机的测试研究员，为推动该先进电镜的蓬勃发展作出过实质贡献和建议。曾是欧洲波函数重构（电子全息）技术发展的参与者，回国后在湖南大学建立起有自己特色优势的软件矫正电镜技术平台并成功应用于铝合金微结构测量表征。在电子显微学理论和技术以及材料研究方面发表过150余篇论文和11项发明专利，其中以第一和通讯作者在Science发表过关于汽车车身用铝合金材料的论文。