Advanced Materials丨适用于太阳极端辐照的铝合金

　　人类探索未知的不懈动力推动了科学进步，并加深了我们对自身在宇宙中所处位置的认知。太空探索作为一项艰巨的挑战，依赖于先进技术的多学科应用，而这些技术的根基源自人类最古老的学科之一——冶金学。在载人太空探索中，冶金学的作用体现在设计新型材料并评估其适用性，确保航天器、卫星和太空探测器能够在恶劣的太空环境中正常运行。

　　70年来，多国太空计划积累的经验已明确了地外环境应用材料的一系列要求。考虑到材料在太空服役期间可能存在多种协同作用的劣化机制，这些要求包括：（i）高比强度；（ii）在真空环境下、更宽的温度范围内具备优异的热性能；（iii）对活性单原子物质（如氧原子）和电离等离子体具有高耐腐蚀性；（iv）易于制造和修复；（v）成本可控；（vi）高抗辐射性。其中，高比强度这一要求具有限制性作用，它要求材料本身具备轻质特性——只有这样才能最大限度降低有效载荷、燃料需求，并控制生产成本。

　　从高能粒子与电磁辐射与物质的相互作用来看，太阳系对材料而言可视为极端环境。对于长时间、长距离的太空任务（且可能涉及人类在地外环境定居），上述要求中，高抗辐射性的重要性尤为突出。

　　在这一背景下，太阳系内对人类和材料产生影响的辐射源可分为内源性辐射和外源性辐射两类。内源性辐射指航天器内部产生的辐射，例如未来小型模块化核反应堆（又称微型反应堆）可能产生的辐射。外源性辐射则包括捕获辐射、宇宙射线、太阳风、太阳耀斑和日冕物质抛射，这些辐射对太阳系内的人类和材料均具有重要影响。

　　成果速览

　　未来人类对太阳系的探索需要先进材料，这类材料需能够承受极端环境，尤其是太阳高能粒子辐射。当前，用于太空应用的材料选择标准优先考虑高的强度重量比、高耐腐蚀性和可制造性，时效硬化型铝基合金因此备受青睐。然而，传统的沉淀硬化铝合金在低至0.2原子位移（dpa）的辐照剂量下，强化相就会因辐照辅助溶解而受损，进而削弱其性能。此外，即使在低剂量下，这些合金也会产生诸如位错环和空洞等辐射诱导缺陷。

　　本研究展示了一种新型的超细晶粒（UFG）铝基合金，它采用交叉合金化概念设计，并通过T相沉淀物强化。该合金具有化学复杂结构，其由Mg₃₂(Zn,Al)₄₉组成的晶胞中有162个原子。研究表明，T相沉淀物在高达24 dpa的辐照剂量下具有出色的耐辐射性能。由于纳米级的超细晶粒结构，位错环受到抑制，且空洞仅在超过75 dpa时才会出现。高达20 dpa的微拉伸测试证实了该合金在辐照下仍能保持力学性能。这些结果凸显了这种合金作为未来太空应用中抗辐射轻质材料的潜力。有三种关键策略促成了这种性能：（i）稳定超细晶粒微观结构；（ii）T相沉淀，其具有高度负的吉布斯自由能和化学复杂的巨型晶胞；（iii）精确的工艺控制，以防止在热处理和辐照过程中晶粒生长。

　　该工作以「Radiation-Resistant Aluminum Alloy for Space Missions in the Extreme Environment of the Solar System」为题发表于Advanced Materials。

　　图文解析

图1.超细晶粒（UFG）铝基交叉合金的合成。A）为从块体AlMgZnCuAg交叉合金中获得超细晶粒微观结构，本研究采用了高压扭转（HPT）技术。B）加工处理后，Bright-field透射电子显微镜（BFTEM，明场透射电子显微镜）表征结果显示材料形成了超细晶粒微观结构。C）局部纳米化学分析表明，所有合金元素均偏聚于晶界处；且如扫描透射电子显微镜-X射线能谱（STEM-EDX）图（图C）所示，在加工态下未观察到T相析出相。

图2.合金的辐照稳定性。A）对超细晶粒（UFG）AlMgZnCuAg交叉合金采用10 K/min的升温速率加热至506 K（233℃）进行热处理后，观察到T相析出相形核。B）通过透射电子显微镜（TEM）原位监测，获得了该超细晶粒AlMgZnCuAg交叉合金在0~100 dpa辐照剂量下的一系列欠焦明场透射电子显微镜（BFTEM）图像，如图（B）所示。结果显示，在最高100 dpa的辐照剂量下，该合金的微观结构既未出现位错环形成，也未发生晶粒长大；仅在辐照剂量约为75 dpa时，才观察到空洞形成。

图3.合金的辐照稳定性（辐照后检测）。本研究采用常规电子显微镜与分析型电子显微镜相结合的辐照后检测方法，探究该合金辐照稳定性的根源。A）扫描透射电子显微镜-X射线能谱（STEM-EDX）图，以及B-D）分别为选区电子衍射（SAED）图、高分辨透射电子显微镜（HRTEM）图像和快速傅里叶变换（FFT）图，结果显示：在6 dpa的典型辐照剂量下，T相析出相保持稳定且未发生溶解。该剂量分别是此前报道中块体铝基合金强化相辐照辅助溶解剂量的6倍和30倍。E）中的示意图展示了超细晶粒（UFG）合金在热处理前后的微观结构差异，由此确立了一种实现高抗辐射性的新型合金设计策略——T相析出相易于形核、长大并起到稳定结构的作用。

图4.T相析出相的辐射存活水平及其高抗辐射性的热力学根源。通过对辐照后样品的扫描透射电子显微镜-X射线能谱（STEM-EDX）分析发现，T相析出相在辐照剂量高达24 dpa时仍能保持稳定，如图（A）所示。当辐照剂量超过24 dpa后，T相析出相开始（逐步）溶解；在100 dpa剂量下（图B），该超细晶粒（UFG）AlMgZnCuAg交叉合金中未检测到任何T相析出相。研究还发现，仅在辐照剂量约为100 dpa时，才出现辐射诱导的纯银（Ag）纳米析出相形核现象。图（C）中的热力学计算结果显示，与现有铝基合金中的强化析出相相比，T相析出相的吉布斯自由能显著更低，这表明其具有更优异的热力学稳定性。图（D）为在298 K（25℃）、1巴（标准大气压）条件下计算得到的三元平衡相图，该图表明T相在较宽的化学配比范围内均能保持稳定。图（E）展示了（Al₂Cu）θ相、（Mg₂Zn）η相、（Mg₂Si）β相以及（Mg₃₂(Zn,Al)₄₉）T相的晶体结构，结果表明：化学复杂性是T相析出相的显著特征，正是这一特征赋予了超细晶粒AlMgZnCuAg交叉合金优异的抗辐射性能。

图5.辐照前后的力学响应。（A）高压扭转（HPT）加工态、（B）辐照至峰值剂量13 dpa后、（C）辐照至峰值剂量20 dpa后样品的工程应力-应变曲线。插图为样品断裂瞬间的原位扫描电子显微镜（SEM）图像，白色箭头标注了已确定的断裂特征位置。所有微米标尺均对应2µm。（D）预减薄薄片的氖（Ne）离子辐照过程示意图。（E）所有微拉伸样品的屈服起始点与断裂应变数据汇总（空心符号），以及对应状态下的加权平均值（实心符号）。为便于对比，还加入了高压扭转加工态介观尺度样品的屈服起始点与断裂应变数据（旋转灰色方形符号）。

　　总结展望

　　当前，面向恒星辐射环境的新型材料设计面临多项挑战，其中抗辐射性是主要难点。高比强度是太空计划对材料的硬性要求，这使得可选材料局限于低密度金属。本研究提出了一种新的合金设计方法，据此合成出具有高抗辐射性的新型超细晶粒（UFG）AlMgZnCuAg交叉合金。

　　该合金的显著特征是含有独特的T相析出相，其估计辐射耐受剂量（RSL）达24 dpa，创下了极端环境下铝合金抗辐射剂量的新纪录。此外，得益于超细晶粒微观结构，该合金在辐照后未检测到任何位错环，且仅在75 dpa的辐照剂量下才观察到空洞。研究表明，通过在原子层面调控热力学特性，可设计出能够承受远超太阳系外源性辐射水平的新型材料。

　　微拉伸实验显示，在辐照剂量高达20 dpa的情况下，该新型合金的力学响应未受负面影响：既未检测到辐照诱导硬化，也未发现辐照致脆现象。目前仍需进一步研究，以揭示T相析出相在如此严苛的辐照条件下保持稳定的完整机制，尤其是需深入探究其独特的热力学特性——相较于现有商用合金中的传统强化相，T相析出相的热力学行为存在显著差异。