在高溫下具有高強(qiáng)度的合金對于包括航空航天在內(nèi)的許多重要行業(yè)都至關(guān)重要。具有有序的超晶格點陣的合金受到了越來越多的關(guān)注，但在高溫下通常容易發(fā)生晶粒的快速長大和粗化，隨之而來的是材料屈服強(qiáng)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(guī)模應(yīng)用。

近日，來自于香港城市大學(xué)劉錦川院士（通訊作者）發(fā)現(xiàn)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(qū)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(dāng)可持續(xù)的延展性來源，通過增強(qiáng)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(dá)1.6GPa的超高斷裂強(qiáng)度，在環(huán)境溫度下具有25%的拉伸延伸率，且無任何晶間脆化現(xiàn)象發(fā)生。此外，在高溫下也能實現(xiàn)可忽略的晶粒粗化，從而提高了高溫穩(wěn)定行。根據(jù)本文設(shè)計相似的納米層可以為進(jìn)一步優(yōu)化合金性能開辟道路。相關(guān)論文以題“Ultrahigh-strength and ductile superlattice alloys with nanoscale disordered interfaces”發(fā)表在Science上。

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

一種具有原子緊密堆積有序結(jié)構(gòu)的合金構(gòu)成了一類結(jié)構(gòu)材料，它彌補(bǔ)了普通金屬與硬質(zhì)陶瓷之間的差距，具有潛在的新型機(jī)械特性。這些長程有序超晶格合金具有很強(qiáng)的化學(xué)鍵合性和較低的原子遷移率，這使其對高溫結(jié)構(gòu)應(yīng)用非常有吸引力，可在航空航天，汽車，燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動機(jī)等廣泛的工程領(lǐng)域中實現(xiàn)更高的能源效率。自1950年代以來，在合金的研究和開發(fā)方面投入了大量精力。盡管已經(jīng)取得了許多進(jìn)步，但是這些合金的廣泛應(yīng)用仍然難以捉摸，這在很大程度上受到環(huán)境溫度下強(qiáng)度和延展性之間不可調(diào)節(jié)的沖突的限制。

隨著合金的晶體結(jié)構(gòu)變得高度有序，在環(huán)境溫度下容易發(fā)生災(zāi)難性的脆性破壞，破壞了合金的最理想性能。因此，大多數(shù)具有超高強(qiáng)度的常規(guī)有序合金在拉伸變形過程中易脆，這嚴(yán)重限制了它們在結(jié)構(gòu)應(yīng)用中的潛在應(yīng)用。然而，它們的屈服強(qiáng)度在環(huán)境溫度下仍然非常有限。此外，在高溫下缺乏足夠的熱穩(wěn)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(wěn)定。熱驅(qū)動的結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性，例如快速或異常的晶粒粗化以及相關(guān)的軟化行為，嚴(yán)重限制了它們在高溫下的使用。因此，如何設(shè)計一種新型金屬間化合物合金同時兼具高強(qiáng)度、高塑性、高熱穩(wěn)定性成為了目前合金設(shè)計中最為嚴(yán)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(tǒng)的高溫合金設(shè)計策略。通過協(xié)同調(diào)節(jié)塊狀有序合金的結(jié)構(gòu)和化學(xué)特征，以達(dá)到優(yōu)異的機(jī)械性能和出色的熱穩(wěn)定性，為微觀結(jié)構(gòu)的調(diào)整提供了不同的方向。基于可控地結(jié)合多種元素，通過電弧熔化和熱機(jī)械加工合成了一種Ni43.9Co22.4Fe8.8Al10.7Ti11.7B2.5。開發(fā)的超晶格材料（SMs）具有納米級無序界面（NDI-SMs），具有多晶形態(tài)（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(guī)結(jié)構(gòu)特征和無序界面納米層（DINL）。使用透射電子顯微鏡（TEM）鑒定了晶粒內(nèi)部的L12型有序結(jié)構(gòu)，且使用HAADF-STEM分析以探測詳細(xì)的原子結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)。這種獨特的界面無序超晶格結(jié)構(gòu)與先前報道的常規(guī)有序合金有很大不同。

圖1.界面納米化無序的超晶界結(jié)構(gòu)

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(jī)械性能和熱穩(wěn)定性

圖4.塑性變形的微觀機(jī)制和界面的延展性

總之，本文的超晶格合金的復(fù)合結(jié)構(gòu)，尤其是多元素共偏析引起的界面無序，可用于設(shè)計具有增強(qiáng)的晶界穩(wěn)定性和抗粗化性的高強(qiáng)度超細(xì)晶粒或納米晶粒材料。同時該方法應(yīng)適用于許多其他金屬系統(tǒng)，尤其是組成復(fù)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(xué)工程和其他應(yīng)用中引起廣泛的關(guān)注。