在材料科學(xué)領(lǐng)域，開發(fā)能夠在高溫環(huán)境下保持優(yōu)異性能的合金一直是研究的重點之一。鎳基高溫合金由于其在高溫下優(yōu)異的強(qiáng)度和抗蠕變性能，在航空航天、能源等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。這些高溫合金的優(yōu)異性能主要歸功于其γ'相的存在，這種相具有有序的L1?晶體結(jié)構(gòu)，能夠有效地阻礙位錯運動，從而提高材料的強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性。傳統(tǒng)的銅合金在高溫下容易發(fā)生晶粒粗化和蠕變變形，導(dǎo)致其性能下降。因此，科研工作者希望借鑒鎳基高溫合金的設(shè)計理念，開發(fā)出一種新型的高溫銅合金。這種合金能夠在接近熔點的溫度下工作，同時保持最小的晶粒粗化和蠕變變形。

基于以上難題，美國馬里蘭州阿伯丁試驗場陸軍研究實驗室K. A. Darling教授、里海大學(xué)M. P. Harmer教授和亞利桑那州立大學(xué)K. Solanki教授等人聯(lián)合在Science上發(fā)表了題為“A high-temperature nanostructured Cu-Ta-Li alloy with complexion-stabilized precipitates”的論文，報道開發(fā)了一種塊體納米晶銅合金Cu-Ta-Li，其可以在接近融化的溫度下表現(xiàn)出優(yōu)異的抗粗化和抗蠕變性能。具體的，這種合金通過在不混溶的Cu-Ta系統(tǒng)中添加0.5%的鋰（Li），將納米尺度沉淀相的形態(tài)從球形變?yōu)榱⒎襟w，并同時調(diào)整了相界。這種合金的設(shè)計基于納米晶Cu-Ta模型合金系統(tǒng)，通過添加鋰來調(diào)節(jié)Ta基納米簇的形成、結(jié)構(gòu)、形態(tài)、相干關(guān)系和空間分布。通過HAADF-STEM和APT等技術(shù)對合金的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的表征發(fā)現(xiàn)，Cu?Li沉淀相具有有序的立方晶體結(jié)構(gòu)，與基體相具有良好的相干性。所制備銅合金的室溫屈服強(qiáng)度達(dá)1120 MPa，且在800 ℃退火10000小時后，屈服強(qiáng)度僅從983 MPa降低到947 MPa。此外，通過DFT計算，研究人員進(jìn)一步探討了Cu?Li沉淀相的形成和穩(wěn)定性的原子起源，發(fā)現(xiàn)鉭（Ta）原子雙層在維持Cu?Li沉淀相的相干性和熱穩(wěn)定性方面起到了關(guān)鍵作用。這種基礎(chǔ)合金設(shè)計原則可以為下一代銅合金在熱交換器等高溫應(yīng)用中的開發(fā)提供指導(dǎo)。

圖1  Cu-3Ta合金中析出物和Cu-3Ta-0.5Li合金中析出物之間的結(jié)構(gòu)差異 © 2025 AAAS

圖2  Cu-3Ta-0.5Li的APT分析 © 2025 AAAS

圖3  電子和結(jié)構(gòu)特性的DFT模擬 © 2025 AAAS

圖4  Cu-Ta-Li、Cu-Ta和商用銅合金的性能對比 © 2025 AAAS

綜上，本研究通過在Cu-Ta合金中添加微量鋰，成功開發(fā)出一種具有高溫穩(wěn)定性的Cu-Ta-Li合金。這種合金的Cu?Li沉淀相具有有序的L1?晶體結(jié)構(gòu)，并且被富鉭的原子雙層相界所包圍，這種結(jié)構(gòu)在高溫下表現(xiàn)出優(yōu)異的抗粗化和抗蠕變性能，其室溫屈服強(qiáng)度達(dá)1120 MPa，且在800 ℃退火10000小時后，屈服強(qiáng)度僅從983 MPa降低到947 MPa。隨后利用DFT計算，揭示了Cu?Li沉淀相的形成機(jī)制和Ta原子雙層的電子作用。計算結(jié)果表明，Ta原子雙層通過吸收Cu?Li沉淀相中的電子，增強(qiáng)了沉淀相與基體之間的界面穩(wěn)定性，從而提高了合金的熱穩(wěn)定性。本研究不僅為開發(fā)新型高溫銅合金提供了新的思路和方法，還為理解合金中相界復(fù)合體的作用機(jī)制提供了重要的理論依據(jù)。這種合金的設(shè)計理念和微觀結(jié)構(gòu)調(diào)控方法有望被推廣到其他合金體系中，為開發(fā)更多高性能合金材料提供了參考。

原文詳情：A high-temperature nanostructured Cu-Ta-Li alloy with complexion-stabilized precipitates (Science 2025, 387, 1413-1417)