在高溫下具有高強度的合金，對包括航空航天在內(nèi)的許多重要行業(yè)至關(guān)重要。具有有序超晶格結(jié)構(gòu)的合金在這方面很有吸引力，但通常韌性差，晶粒粗化快。近日，香港城市大學(xué)的劉錦川院士團隊發(fā)現(xiàn)，納米級無序界面可以有效地克服以上問題。相關(guān)論文以題為“Ultrahigh-strength and ductile super lattice alloys with nanoscale disordered interfaces”于07月24日發(fā)表在Science上。

論文鏈接：https://science.sciencemag.org/content/369/6502/427

原子緊密排列有序結(jié)構(gòu)的合金是位于普通金屬和硬陶瓷之間的一類結(jié)構(gòu)材料，具有潛在的新機械性能。這些長程有序超晶格合金具有很強的化學(xué)結(jié)合能力和較低的原子遷移率，這使得它們在高溫結(jié)構(gòu)應(yīng)用領(lǐng)域非常具有吸引力，可用于提高諸如航空航天、汽車、燃氣渦輪發(fā)動機和許多其他行業(yè)的能源效率。自20世紀50年代以來，大量的努力致力于研究和開發(fā)大塊有序合金。盡管已經(jīng)取得了許多進展，但這些合金的廣泛應(yīng)用仍然難以實現(xiàn)，這在很大程度上受到環(huán)境溫度下強度和延展性之間不可調(diào)和的沖突的限制。

當(dāng)合金的晶體結(jié)構(gòu)變得高度有序時，在環(huán)境溫度下就很容易發(fā)生災(zāi)難性的脆性破壞，破壞合金最理想的性能。因此，大多數(shù)具有超高強度（GPa水平）的常規(guī)有序合金在拉伸變形過程中，會變得非常脆，而這嚴重限制了它們在結(jié)構(gòu)上的潛在應(yīng)用。例如，具有拓撲封閉結(jié)構(gòu)（TCP）的合金（即，Laves-相有序合金）在高溫下提供了可觀的強度（或硬度），但它們的操作滑移系統(tǒng)數(shù)量不足，經(jīng)受不住較大拉伸。在一些立方有序合金中，如二元Ni3Al、FeAl和NiAl等鋁化物，存在可觀的延展性，然而，它們的屈服強度在環(huán)境溫度下仍然相當(dāng)有限，在許多工程領(lǐng)域中還不夠強。

此外，在高溫下缺乏足夠的熱穩(wěn)定性是它們實際應(yīng)用的另一個問題。多晶合金在高溫下通常不穩(wěn)定。熱驅(qū)動的結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性，如快速或異常的晶粒粗化和相關(guān)的軟化行為，嚴重限制了它們在高溫下的使用。一個解決辦法是植入大的單晶體來解決這個問題，但是，這種技術(shù)需要一套極其復(fù)雜的工藝，且制造成本高，生產(chǎn)周期長。

在此，研究者通過可控地結(jié)合多種元素，采用電弧熔煉和熱機械加工合成了Ni43.9Co22.4Fe8.8Al10.7Ti11.7B2.5[原子百分比（at %）]合金。此超晶格材料（SMs）具有納米級無序界面（NDI-SMs），具有多晶形態(tài)（11.0 ± 7.5 mm的平均晶粒尺寸），具有由無序界面納米層（DINL）包裹的微米級有序超晶格顆粒（OSG）的異常結(jié)構(gòu)特征。此納米層作為一個可持續(xù)的延展性源，通過增強位錯的可動性來防止脆性晶間斷裂。研究者獲得的超晶格材料具有1.6 GPa的超高強度，在環(huán)境溫度下的拉伸延展性為25%。同時，研究者實現(xiàn)了可以忽略的晶粒粗化，在高溫下具有特殊的耐軟化性。

圖1 超晶格材料不尋常的納米級界面無序結(jié)構(gòu)。

圖2 NDI-SMs的三維組成分布和納米級界面共混。

圖3 NDI-SMs的機械性能和熱穩(wěn)定性。

圖4 塑性變形、微觀機制和界面無序延化。

綜上所述，研究者成功合成了超晶格合金的復(fù)合結(jié)構(gòu)，特別是多元素共分離誘發(fā)的界面無序，可以用來設(shè)計高強度的超晶或納米晶材料，具有增強的晶界穩(wěn)定性和相應(yīng)的抗粗化能力。這種方法應(yīng)該適用于許多其他金屬體系，特別是組成復(fù)雜的有序合金，有效克服了高溫結(jié)構(gòu)材料的相關(guān)缺點。這些超晶格材料將在航空航天、汽車、核能、化學(xué)工程等其他應(yīng)用領(lǐng)域引起廣泛的興趣。