劉錦川院士《Science》:納米級無序界面,助力超高強韌超晶格合金

在高溫下具有高強度的合金對於包括航空航天在內的許多重要行業都至關重要。具有有序的超晶格點陣的合金受到了越來越多的關注，但在高溫下通常容易發生晶粒的快速長大和粗化，隨之而來的是材料屈服強度的顯著降低，這也極大地限制了他們在高溫條件下的大規模應用。

近日，來自於香港城市大學劉錦川院士（通訊作者）發現納米級無序界面可以有效地克服這些問題。界面無序是由多元素共偏析驅動的，該元素在相鄰的微米級超晶格晶粒之間形成了獨特的納米層。該納米層充當可持續的延展性來源，通過增強位錯活動性來防止脆性晶間破裂。同時，在室溫條件下，該新型超晶格材料擁有高達1.6GPa的超高斷裂強度，在環境溫度下具有25%的拉伸延伸率，且無任何晶間脆化現象發生。此外，在高溫下也能實現可忽略的晶粒粗化，從而提高了高溫穩定行。根據本文設計相似的納米層可以為進一步優化合金性能開闢道路。相關論文以題「Ultrahigh-strength and ductile superlattice alloys with nanoscale disordered interfaces」發表在Science上。

論文連結

https://science.sciencemag.org/content/369/6502/427

一種具有原子緊密堆積有序結構的合金構成了一類結構材料，它彌補了普通金屬與硬質陶瓷之間的差距，具有潛在的新型機械特性。這些長程有序超晶格合金具有很強的化學鍵合性和較低的原子遷移率，這使其對高溫結構應用非常有吸引力，可在航空航天，汽車，燃氣輪機發動機等廣泛的工程領域中實現更高的能源效率。自1950年代以來，在合金的研究和開發方面投入了大量精力。儘管已經取得了許多進步，但是這些合金的廣泛應用仍然難以捉摸，這在很大程度上受到環境溫度下強度和延展性之間不可調節的衝突的限制。

隨著合金的晶體結構變得高度有序，在環境溫度下容易發生災難性的脆性破壞，破壞了合金的最理想性能。因此，大多數具有超高強度的常規有序合金在拉伸變形過程中易脆，這嚴重限制了它們在結構應用中的潛在應用。然而，它們的屈服強度在環境溫度下仍然非常有限。此外，在高溫下缺乏足夠的熱穩定性是它們實際使用的另一個問題，多晶形式的合金通常在高溫下不穩定。熱驅動的結構不穩定性，例如快速或異常的晶粒粗化以及相關的軟化行為，嚴重限制了它們在高溫下的使用。因此，如何設計一種新型金屬間化合物合金同時兼具高強度、高塑性、高熱穩定性成為了目前合金設計中最為嚴峻的瓶頸問題之一。

在本文中，作者將重點放在納米級界面無序上，脫離了傳統的高溫合金設計策略。通過協同調節塊狀有序合金的結構和化學特徵，以達到優異的機械性能和出色的熱穩定性，為微觀結構的調整提供了不同的方向。基於可控地結合多種元素，通過電弧熔化和熱機械加工合成了一種Ni43.9Co22.4Fe8.8Al10.7Ti11.7B2.5。開發的超晶格材料（SMs）具有納米級無序界面（NDI-SMs），具有多晶形態（平均晶粒尺寸為11.0±7.5μm），且具有由微米級有序超晶格晶粒（OSG）封裝的非常規結構特徵和無序界面納米層（DINL）。使用透射電子顯微鏡（TEM）鑑定了晶粒內部的L12型有序結構，且使用HAADF-STEM分析以探測詳細的原子結構和化學性質。這種獨特的界面無序超晶格結構與先前報導的常規有序合金有很大不同。

圖1.界面納米化無序的超晶界結構

圖2.超晶格合金（NDI-SMs）的三維成分分布和納米級界面共偏聚

圖3.NDI-SMs的機械性能和熱穩定性

圖4.塑性變形的微觀機制和界面的延展性

總之，本文的超晶格合金的複合結構，尤其是多元素共偏析引起的界面無序，可用於設計具有增強的晶界穩定性和抗粗化性的高強度超細晶粒或納米晶粒材料。同時該方法應適用於許多其他金屬系統，尤其是組成複雜的有序合金，這可以避免在使用高溫材料的某些缺點。此外，這些超晶格材料將在航空航天，汽車，核能，化學工程和其他應用中引起廣泛的關注。（文：Caspar）

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