一项突破性研究通过高浓度空位与微量钪的协同作用，在铝铜合金中触发了前所未有的固态相变机制。

铝合金在核工业和航天领域有着广泛应用，但高能辐射环境会导致材料内部产生大量空位缺陷，进而形成空洞，引发脆性断裂。这是限制铝合金在极端环境中应用的核心难题。

近期，一项来自西安交通大学孙军院士团队领衔的等国内外多家机构的联合研究取得了颠覆性发现：通过向Al-Cu 合金中添加微量过渡金属元素，并引入高浓度空位，可以触发一种全新的“反常固态相变”。

这一相变不仅逆转了传统铝铜合金的沉淀顺序，更使材料在承受高达100 dpa的辐射剂量后几乎不产生空洞肿胀，同时强度和塑性还得到同步提升。

该成果以Unprecedently radiation-tolerant Al alloys via vacancy-mediated anomalous solid-state phase transformation为题发表于Mater. Today.

第一作者：: Shenghua Wu, Bin Chen, Xuezhou Wang
通讯作者： Gang Liu（西安交通大学）, Yanjun Li（挪威科技大学）, Alexis Deschamps（格勒诺布尔阿尔卑斯大学）, Jun Sun（西安交通大学）

文末点击“阅读原文”跳转至原文

晶体空位是材料科学中的基本概念。一百年前，科学家首次提出晶体中可能存在原子空位。到了1950 年代的“黄金十年”，空位理论得到了深入研究。

在传统的物理冶金学中，空位是原子扩散的关键媒介，对铝合金的沉淀硬化过程至关重要。通过调控淬火引入的过量空位，可以优化材料的力学性能。

然而，当空位浓度极高时，其负面效应显现——不仅会打乱预期的沉淀序列，更可能导致灾难性的脆性断裂。例如，在剧烈塑性变形制备的细晶铝合金中，变形诱导的空位浓度可达 10−4∼10−310−4∼10−3 at.%，而在辐射环境下，空位浓度甚至高达 10−3∼10−110−3∼10−1 at.%。

这些高浓度空位会与其它缺陷相互作用，形成空洞胚胎并最终演化为空洞，导致材料提前断裂。

02 传统思路与全新路径

如何容纳高浓度空位？传统思路主要有两种：一是让空位在各种“阱”处湮灭，例如晶界。纳米晶铝合金因其高密度晶界被证明能有效湮灭空位。但晶界本身也是缺陷，会与位错相互作用，导致塑性变形能力下降。

二是通过固态相变吸收空位。理论上，空位可以作为“化学”组分参与某些相变，降低能垒。这一路径此前在抗辐射铝合金设计中尚未被探索。

本研究团队另辟蹊径，选择了一条全新的路径：让高浓度空位与特定合金元素“合作”，触发一种能持续吸收并稳定空位的相变。

03 实验中的惊人发现

研究团队以经典的 Al-2.5 wt% Cu 合金为模型，并分别添加了 0.3 wt% 的 Sc、Zr 或 Ti。

他们首先对样品进行固溶处理并淬火，然后利用原位透射电镜加热技术在薄膜样品中引入高浓度空位。结果出人意料：

在未添加 Sc 的 Al-Cu 合金中，高温加热并未引发明显的沉淀。然而，在添加了微量 Sc 的 Al-Cu-Sc 合金中，加热后观察到了迷宫状的网络结构，而非传统的分散颗粒。

进一步的高分辨率表征（如 HAADF-STEM 和 APT）证实，这是一种典型的 旋节分解特征，即发生了自发、连续的成分起伏调制。

更令人惊讶的是，在成分调制结构的中心区域，形成了一种全新结构的纳米沉淀相——L1₀ 结构的 Al₂Cu₂相。

04 颠覆经典沉淀序列

经典铝铜合金的沉淀序列为：GP区→ θ″ → θ′ → θ（Al₂Cu），这是一个能量逐渐降低、结构逐渐稳定的过程。

研究团队设计了更巧妙的实验：先对合金进行常规时效处理，生成大量 θ″ 或 θ′ 相，再进行原位加热引入高浓度空位。

在传统 Al-Cu 合金中，θ″ 相如预期般发生了粗化，并向更稳定的 θ′ 相转变。

但在 Al-Cu-Sc 合金中，景象完全相反：原本存在的 θ″ 或 θ′ 沉淀相发生了回溶，重新变回 GP 区乃至固溶体。与此同时，旋节分解结构和新奇的 L1₀-Al₂Cu₂相开始形成。

这意味着，在高浓度空位和 Sc 元素的共同作用下，经典的沉淀序列被完全逆转，沿着 θ′/θ″ → GP区 → 固溶体 → 旋节结构 + L1₀相的反向路径进行。

05 超强抗辐射性能的奥秘

这种由空位介导的反常相变，其最直接的应用价值在于抗辐射性能。

团队随后进行了原位离子辐照和体材料辐照实验，辐射损伤剂量均高达 100 dpa。结果对比鲜明：

• 在传统 Al-Cu 合金中，辐照后出现了高密度的空洞，预示着脆性风险。
• 而在 Al-Cu-Sc 合金中，几乎观察不到空洞。

微观结构分析表明，辐照同样在 Al-Cu-Sc 合金中诱发了旋节分解和 L1₀-Al₂Cu₂相的形成。这种相变过程能持续吸收并“锁住”辐照产生的大量空位，阻止其聚集成空洞。

第一性原理计算从理论上揭示了原因：在高空位浓度下，L1₀-Al₂Cu₂相的形成能低于传统的 θ′ 和 θ′ 相，因此成为更稳定的存在。而 Sc 元素的加入，进一步降低了该相的形成能，促进了其形成。

06 力学性能的意外提升

更令人惊喜的是，这种“以空位为媒介”的相变，不仅赋予了材料超强的抗辐射能力，还带来了力学性能的全面提升。

微拉伸测试表明，经过 100 dpa 高剂量辐照的 Al-Cu-Sc 合金，其强度和均匀延伸率均显著高于未添加 Sc 的辐照合金，甚至优于未辐照的时效态 Al-Cu-Sc 合金本身。

这打破了“辐照必然导致脆化”的传统认知。其背后的强化机制主要归功于旋节分解产生的成分调制结构以及内部共格的 L1₀-Al₂Cu₂纳米沉淀相。

07 总结与展望

这项研究挑战了人们对空位作用的传统认知，揭示了空位可以作为“合金化元素”参与并主导全新的固态相变。

通过微量过渡金属元素的微合金化效应，结合高浓度空位，能够在传统合金体系中触发旋节分解，并形成热力学更稳定的新奇沉淀相。

这种 “空位-相变”协同机制，为铝合金带来了两大颠覆性优势：一是前所未有的抗空洞肿胀能力，即使在高剂量辐照下也能保持结构完整性；二是辐照后优异的强塑性匹配。

该发现不仅为开发新一代抗辐射铝合金提供了全新的设计思路和理论框架，更启示我们：空位可以成为一个全新的“合金设计维度”。

这一策略有望拓展至更多的铝合金体系乃至其他金属合金，为开发应用于核能、航天等极端环境的高性能材料开辟了新的道路。

结果速览

Fig. 1. The formation of spinodal structure and L10 phase under high vacancy concentrations in Al-Cu-Sc alloy.

Fig. 2. The reversible precipitation sequence in Al-Cu alloy.

Fig. 3. Superior radiation tolerance of Al-Cu-Sc alloy