中科學金屬所最新Science：用Schwarz晶體結構抑制過飽和Al-Mg合金中的原子擴散

【引言】

由于原子間鍵的性質，相對于陶瓷和具有共價鍵或離子鍵的化合物，金屬中的原子擴散率明顯更高。通過在合成和后續處理過程中調整擴散控制過程，可以在不同的長度尺度上對結構進行大幅度的調整，從而使金屬材料具有廣泛的特性和性能。然而，當金屬暴露在高溫或機械載荷下時，高原子擴散率使得金屬的結構和定制性能不穩定。這種不穩定性成為金屬材料發展的主要瓶頸，極大地限制了它們在高溫下的技術應用。抑制原子在金屬中的擴散是一項挑戰，特別是在高溫下。界面或晶界（GBs）被認為是原子（相對于晶格）的快速擴散通道。通過優化其他元素的GB偏析，可以減緩沿著GBs的擴散。然而，隨著GB合金化程度的增加，第二相形成的趨勢增加，又限制了GB合金化的發展。通過形成單晶消除擴散界面是降低擴散率的標準策略，例如，在制造用于渦輪發動機高溫應用的超合金單晶葉片時所采用的方法。然而，即使在單晶金屬中，高擴散系數在較高的溫度下也不能被抑制。在較高的同系溫度下，晶格中的平衡空位濃度顯著增加，不可避免地提高了原子的擴散率。最近在純銅中發現了一種極細晶粒的亞穩態結構：一種Schwarz晶體結構，其極小界面受孿晶界限制。盡管它包含極高密度的界面，這種結構在接近熔點的高溫下表現出非常高的熱穩定性，防止晶粒粗化。因此，探索這種穩定的Schwarz晶體結構是否能夠抑制高溫下合金中原子的擴散是非常有意義的。

【成果簡介】

今日，在中國科學院金屬研究所盧柯院士和李秀艷研究員團隊等人帶領下，發現受限晶體（Schwarz crystal）結構在具有極細晶粒的過飽和Al-Mg合金中可以有效地抑制原子擴散。通過形成這些穩定的結構，納米級晶粒的擴散控制金屬間化合物析出及其粗化被抑制到平衡熔化溫度，在這個溫度附近，表觀跨界擴散率降低了約7個數量級。利用Schwarz晶體結構開發先進的工程合金可能會為高溫應用帶來有用的性能。相關成果以題為“Suppressing atomic diffusion with the Schwarz crystal structure in supersaturated Al–Mg alloys”發表在了Science。

【圖文導讀】

圖1?SC-8樣品的結構表征

圖2 退火后的結構演變

圖3?晶格常數和晶粒尺寸的穩定性

圖4?退火時的元素分布文獻鏈接：Suppressing atomic diffusion with the Schwarz crystal structure in supersaturated Al–Mg alloys（Science，2021，DOI:10.1126/science.abh0700）

本文由木文韜翻譯，材料牛整理編輯。

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