《Adv.Mater.》成功开发可抗太空辐射的新型铝合金

摘要：现有文献表明，常规铝合金不适合在恒星辐射环境中使用，因为它们的硬化相在暴露于高能辐照下时很容易溶解，从而导致合金软化，这可能会缩短此类材料的使用寿命，从而损害未来的以人为本的太空飞行任务。本文采用交叉合金化的创新方法合成具有抗辐射硬化相的铝合金。这种合金（5xxx和7xxx系列铝合金的交叉材料）在TEM中原位经受了极重的离子辐照，剂量高达1 dpa。Mg32(Zn, Al)49硬化沉淀相（表示为T相）在该合金系统中出乎意料地经受住了极端的辐照条件，没有发现空洞成核，并且观察到位移损伤以黑点形式出现。该发现表明，高比例的硬化沉淀相是实现优异的耐辐射性能的关键参数。基于这样的发现，这项当前的工作为太空探索用金属合金的设计设定了新的指南。

自从第一个人造物体成功地完成了环绕地球的几个轨道（1957年的苏联人造卫星“人造卫星”）以来，太空探索这个话题不仅引起科学家的关注，也引起了公众的广泛关注。要成功进行太空探索，必须克服一系列障碍，其中大部分都在材料科学领域。在过去的80年中，科学的这一分支已经显着发展，可以更好地承受太空环境中通常存在的极端条件。

随着空间探索的新时代部分地受到私营部门的推动，预计作为一种潜在的商业模式（例如，太空旅游），太空探索将在未来几年内增长，从而强调了用于卫星，航天器，太空探测器和衍生物的新材料和合金的需求。毫无疑问，材料在暴露于太空中发现的降解机制的同时保持其设计性能的能力，是未来太空材料发展的主要挑战之一。

考虑到航天器材料的最新技术，最近对空间材料中的材料降解机理进行了综述。这些降级机制可能无法以适当的方式协同工作，导致灾难性故障，从而增加了设计和选择阶段的挑战。

在空间环境中存在的极端条件的多个方面中，材料可能会经受真空处理（约10−4 Pa的压力），这可能导致材料逸出气体，从而导致与气体相关的问题（腐蚀，氧化和脆化））和污染。当材料暴露于高温（星光）和低温（阴影条件）下时，热循环是另一个需要关注的问题。突然的热变化会导致开裂，涂层分层，机械性能下降，包括严重的热膨胀和收缩问题。

据报道，紫外线辐射引起高层大气分子的电离会生成活性单原子物质（电离等离子体），例如O，它们可以与包含C，N，S和H的聚合物基材料发生反应，从而通过化学反应和腐蚀而导致严重降解。活性单原子物质也可能引起金属合金的显着脆化。

微型流星体和空间碎片的高速撞击是空间材料设计的另一个主要问题。报告显示，近地球碎片环的形成已经对卫星以及国际空间站造成了损害，因此，航天器需要坚固的机械防护罩，以尽量减少这些碰撞的影响。在这方面的另一方面是，损坏的零件应易于制造和更换，从而限制了材料选择的范围。

总而言之，在选择航天材料时必须遵守以下要求：

–强度重量比：航天材料需要轻量化的高机械性能。高强度轻质材料是最佳选择。

–散热性能：可应对高热梯度的材料，同时保持出色的性能。涂层的摩擦学也必须解决太空环境问题。

–腐蚀防护：主要针对电离等离子体产生的活性单原子物质。

–可制造性，可维修性和成本三合一：太空材料应易于机加工，可维修和可更换，并始终考虑与此类过程相关的成本。

基于此，本文使用“交叉合金化”的轻质合金设计策略，通过兼并5xxx（AlMg）和7xxx（AlZn）合金系列的有益性能，例如高成形性和高强度，开发的一种独特的交叉合金过时效的 AlMg4.7Zn3.4 (in wt%).：该合金的时效硬化是通过T相的控制且精细分散的析出-Mg32(Zn,Al)49实现的，该析出相由金属间化合物超结构组成。相关研究成果以题“Prototypic Lightweight Alloy Design for Stellar‐Radiation Environments”发表在国际著名期刊 Advanced Science上。

图1.使用SRIM-2013Pro计算的PKA能量，考虑了厚度为1 cm的纯铝靶材。
图2.100 keV Pb +离子辐照的实验参数：a）所研究合金的EFTEM厚度图，b）Pb离子的注入产率，以及c）随样品厚度变化的损伤率。 图3.在交叉的AlMgZn合金的原始微观结构中通常观察到的富含Cr，Fe和Mn的颗粒。Al图中较暗的区域对应于T相沉淀，在图4中对其进行了详细分析。 2、这些新合金必须降低位移损伤的产率，即，必须抑制扩展的辐射诱导缺陷（例如位错环）的形核和生长，因为它们可以通过促进辐射诱导的沉淀来增加硬度，从而可能导致严重的脆化。遵循文献中观察到的最新趋势，应设计具有减小晶粒尺寸的新合金，因为晶粒的密度的增加将导致晶粒内辐射诱发的点缺陷的积累减少。

图4.交叉AlMgZn合金的纳米级设计包括被称为T相的金属间硬化相的成核，生长和稳定化，据报道化学计量为Mg32(Zn,Al)49，使用现有的参考文献数据，在CrystalMaker软件中模拟了此处介绍的T相晶体结构。图中所示的取向关系由Ryum表示为（011）T-phase ||（001）铝 图5.一系列（1000 nm）BFTEM显微照片和SAED图谱，显示在TEM内监测的重离子辐照下，直到Al基质剂量为1 dpa（4.28×1014离子·cm-2）的情况下，合金的微观结构演变）。图6.原始（0 dpa）和辐射至1 dpa（4.28×1014离子·cm-2）的交联AlMgZn合金之间的STEM-EDX映射比较。
图7.辐照至1 dpa（4.28×1014离子·cm-2）之前（0 dpa）和辐照后的T相沉淀物的定量尺寸分析。图中显示的显微照片在相同的粒度分析条件下在ImageJ中其阈值水平发生了变化，并且它们分别对应于原始和辐照条件下元素Mg（来自图6）的EDX图。 图8.使用Pandat软件计算的交叉AlMgZn合金（T相）和商用AlMgSi（AA6061）合金（Mg2Si相）中硬化沉淀的相分数。
综上所述，文中研究了AlMgZn合金的辐射响应，该合金已显示出在汽车工业中的优异性能。合金设计采用了交叉原理，该原理包括利用两种材料的主要有益性能（或更多）不同的Al基合金类别，从而使最终合金具有优异的性能混合。必须强调的是，在这项工作中只研究了交叉AlMgZn合金的辐射响应。必须在太空环境中使用某种材料之前证明对协同作用的多种降解机制的抵抗力。从辐射耐受性的角度来看，从本工作中进行的实验得出的主要结论可作为设计新型材料（耐恒辐射和轻质合金）的指导。