香港城市大學Nat. Commun.：通過可控緩慢晶格擴散實現高熱穩定納米相的構筑

研究背景：

具有優異熱穩定性的納米結構材料已經在功能和結構性能方面表現出了獨特的優勢。特別地，“納米相強化”，已廣泛應用于各類高強結構材料的設計，例如鋁合金、鋼和高溫合金等，這些材料在各種技術和工業領域發揮著至關重要的作用，如航空航天、汽車和核工程。然而，這些納米相顆粒在高溫下往往很容易快速粗化，顯著降低材料的承載能力，從而導致災難性事故。盡管過去已經做了大量的研究工作，但此類的粗化行為仍然很難避免。近年來，由于特有的緩慢晶格擴散效應，化學復雜類合金（或稱為高熵合金）在開發具有獨特物理、熱穩定和機械性能方面提供了可能的新途徑。然而，直到現在，由于缺乏系統、定量化的探究，這種緩慢晶格擴散效應的內在機制尚未得到很好理解與認知，使得人們很難可控地設計出具有超穩定納米結構的化學復雜類合金。

為此，香港城市大學楊濤教授領銜的研究團隊在其最新的研究中成功揭示了化學復雜類合金中控制其緩慢擴散效應的關鍵內因。該研究以NiCoFeCrAlTiB高熵合金體系為對象，發現通過調整Co濃度能夠定量控制合金的緩慢晶格擴散效應，顯著抑制納米相的高溫粗化速率，從而獲得具有優異熱穩定的納米顆粒增強型高熵合金。該發現有望為高強韌、高熱穩定的新型納米結構材料的設計提供重要的理論基礎與科學指導。相關成果以“Achieving thermally stable nanoparticles in chemically complex alloys via controllable sluggish lattice diffusion”為題，于2022年08月18日發表在國際頂尖期刊《Nature Communications》上。論文通訊作者為香港城市大學楊濤教授，第一作者為肖博（博士后）。共同通訊作者為開執中教授。其他合作者包括香港城市大學欒軍華博士、趙仕俊教授和劉錦川教授；中南大學張利軍教授和陳詩瑤博士；哈爾濱工業大學（深圳）趙怡潞教授，天津大學徐連勇教授等。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-32620-6

圖文摘要：

圖1 Co添加提高納米相的熱穩定性

圖2 納米相結構和成分信息

圖3 納米相粗化動力學與粗化機制

圖4 Co濃度對NiCoFeCrAlTiB體系中Al, Co, Cr, Fe, Ti元素的擴散系數的影響

圖5 第一性原理計算揭示最近鄰Co原子對Al擴散的影響機制

小結與展望：

研究者們通過多尺度的實驗表征和理論模擬，成功找到了有效穩定納米析出相的核心因素，揭示了通過調整Co含量可定量控制這種緩慢晶格擴散效應，能夠顯著阻止納米相在800-1000°C下的快速粗化。這些研究發現可以為具有良好機械性能和熱性能的合金的開發提供新策略，也有望應用到其他的金屬結構材料，從而進一步推動材料的組織優化與性能提升。