上海交大材料学院轻合金中心刘传来副教授在铝中空位团簇演化机制方面取得新进展

淬火后铝合金中的过饱和空位会显著影响溶质扩散、析出相变及材料力学性能。然而，空位在晶粒内部的空间分布及其与空位团簇、Frank环之间的耦合作用仍缺乏系统认识。针对该问题，研究团队结合Frank环透射电镜表征与空位演化模拟计算，研究了淬火及自然时效过程中纯铝中晶粒内部与晶界附近空位和Frank环的演化行为。结果表明，淬火后晶界附近会形成宽度约50-150 nm的无Frank环区，而晶粒内部Frank环数密度明显较高。此外，Frank环尺寸随距晶界距离呈现非单调变化规律，在距晶界约500-800 nm处达到峰值，随后逐渐减小，形成特征性的“异常尺寸区”。

研究团队建立了空位团簇形核与长大物理模型，能够描述空位扩散、湮灭以及Frank环的形核和长大过程。模拟结果与实验表征获得的Frank环尺寸及数密度的空间分布特征一致，并揭示了其形成机理：晶粒内部较高的空位过饱和度促进Frank环快速形核，导致局部空位迅速耗尽，从而抑制Frank环后续长大；而空位在晶界处的湮灭使晶界邻近区域内的空位浓度降低，抑制Frank环形核但有利于已有Frank环的长大。

多晶模拟结果表明，晶粒尺寸对淬火后空位浓度分布及Frank环演化行为具有重要影响。在大晶粒内具有较高的空位过饱和度，会在时效过程中促进Frank环快速形核，从而在晶粒中心形成较高密度的Frank环；随着晶粒尺寸减小，淬火后晶粒内的空位过饱和度显著降低，Frank环形核受到抑制，其数密度明显下降。当晶粒尺寸小于8 μm时，晶内未观察到明显的Frank环形核。

本研究阐明了淬火和时效过程中纯铝晶粒内部和晶界附近空位与Frank环的演化规律，发现淬火速率和晶粒尺寸对Frank环形核与长大具有显著影响。该研究建立了淬火速率、时效时间、晶粒尺寸、空位浓度与Frank环空间分布特征之间的内在关联，为铝合金时效热处理工艺设计与性能优化提供了理论基础。