在材料科學領域，開發能夠在高溫環境下保持優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異的強度和抗蠕變性能，在航空航天、能源等領域得到了廣泛應用。這些高溫合金的優異性能主要歸功于其γ'相的存在，這種相具有有序的L1?晶體結構，能夠有效地阻礙位錯運動，從而提高材料的強度和熱穩定性。傳統的銅合金在高溫下容易發生晶粒粗化和蠕變變形，導致其性能下降。因此，科研工作者希望借鑒鎳基高溫合金的設計理念，開發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M. P. Harmer教授和亞利桑那州立大學K. Solanki教授等人聯合在Science上發表了題為“A high-temperature nanostructured Cu-Ta-Li alloy with complexion-stabilized precipitates”的論文，報道開發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出優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系統中添加0.5%的鋰（Li），將納米尺度沉淀相的形態從球形變為立方體，并同時調整了相界。這種合金的設計基于納米晶Cu-Ta模型合金系統，通過添加鋰來調節Ta基納米簇的形成、結構、形態、相干關系和空間分布。通過HAADF-STEM和APT等技術對合金的微觀結構進行了詳細的表征發現，Cu?Li沉淀相具有有序的立方晶體結構，與基體相具有良好的相干性。所制備銅合金的室溫屈服強度達1120 MPa，且在800 ℃退火10000小時后，屈服強度僅從983 MPa降低到947 MPa。此外，通過DFT計算，研究人員進一步探討了Cu?Li沉淀相的形成和穩定性的原子起源，發現鉭（Ta）原子雙層在維持Cu?Li沉淀相的相干性和熱穩定性方面起到了關鍵作用。這種基礎合金設計原則可以為下一代銅合金在熱交換器等高溫應用中的開發提供指導。

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構差異 © 2025 AAAS

圖2  Cu-3Ta-0.5Li的APT分析 © 2025 AAAS

圖3  電子和結構特性的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，成功開發出一種具有高溫穩定性的Cu-Ta-Li合金。這種合金的Cu?Li沉淀相具有有序的L1?晶體結構，并且被富鉭的原子雙層相界所包圍，這種結構在高溫下表現出優異的抗粗化和抗蠕變性能，其室溫屈服強度達1120 MPa，且在800 ℃退火10000小時后，屈服強度僅從983 MPa降低到947 MPa。隨后利用DFT計算，揭示了Cu?Li沉淀相的形成機制和Ta原子雙層的電子作用。計算結果表明，Ta原子雙層通過吸收Cu?Li沉淀相中的電子，增強了沉淀相與基體之間的界面穩定性，從而提高了合金的熱穩定性。本研究不僅為開發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合體的作用機制提供了重要的理論依據。這種合金的設計理念和微觀結構調控方法有望被推廣到其他合金體系中，為開發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)