近期，中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家研究中心納米金屬科學(xué)家工作室博士后徐偉、張波研究員、李秀艷研究員和盧柯院士等研究發(fā)現(xiàn)受限晶體（Schwarz crystal）結(jié)構(gòu)可以顯著降低鋁鎂合金中的高溫原子擴散速率，在該合金平衡熔化溫度附近Schwarz crystal結(jié)構(gòu)的表觀晶間擴散速率比同成分材料的晶界擴散降低約7個數(shù)量級。相關(guān)研究結(jié)果于2021年8月6日發(fā)表在《科學(xué)》（Science）周刊上。此發(fā)現(xiàn)不但揭示了Schwarz crystal結(jié)構(gòu)的一種全新原子擴散行為，而且表明金屬材料的高溫原子擴散速率可以利用這種新型亞穩(wěn)結(jié)構(gòu)得到大幅度降低，為發(fā)展高性能高熱穩(wěn)定性金屬材料開辟了一條全新的途徑。
原子擴散是自然界的一種常見現(xiàn)象，也是材料制備加工過程中調(diào)控材料結(jié)構(gòu)性能的一個基本過程。金屬材料中原子擴散速率顯著高于具有共價鍵或離子鍵的陶瓷和化合物，利用金屬的高擴散速率可以在較低溫度下大幅度調(diào)控金屬材料的結(jié)構(gòu)和性能，獲得良好的綜合性能。但另一方面，高擴散速率會使金屬材料在高溫下結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，導(dǎo)致許多優(yōu)異性能喪失，例如許多金屬的強度在高溫下會往往顯著下降。如何有效降低金屬和合金中的原子擴散，提高材料結(jié)構(gòu)和性能在高溫下的穩(wěn)定性，一直是材料科技領(lǐng)域的一個重大科學(xué)難題，也是發(fā)展高性能金屬材料的重要技術(shù)瓶頸之一。實際上，提升高溫合金耐熱溫度的本質(zhì)是如何有效降低合金中的原子擴散以增強其結(jié)構(gòu)的高溫穩(wěn)定性。過去的研究表明，通過適當(dāng)?shù)暮辖鸹蜏p少晶界等結(jié)構(gòu)缺陷可以在一定范圍內(nèi)降低原子的擴散速率，但是降低幅度有限。尤其是在接近材料熔點的高溫下，降低原子擴散速率十分困難，這是由于在接近熔點時金屬原子振動加劇，晶格中的平衡空位濃度急劇升高，導(dǎo)致原子擴散大幅提升。
Schwarz crystal結(jié)構(gòu)是沈陽材料科學(xué)國家研究中心該研究團隊2020年發(fā)現(xiàn)的一種新型亞穩(wěn)結(jié)構(gòu)（Science, 370 (2020) 831-835），它是一種具有孿晶限制的極細(xì)多晶體結(jié)構(gòu)，其中晶粒之間的界面具有一種極小界面結(jié)構(gòu)特征，被稱為Schwarz-D界面，其平均曲率為零。因此這種結(jié)構(gòu)具有極高的熱穩(wěn)定性和力學(xué)穩(wěn)定性，純銅Schwarz crystal結(jié)構(gòu)的晶粒長大溫度接近銅的平衡熔點。受限晶體結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)為探索固態(tài)物質(zhì)結(jié)構(gòu)基本特征及其新性能開辟了一個全新空間。繼Schwarz crystal結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)之后，該研究團隊利用自主研發(fā)的低溫塑性變形技術(shù)，將過飽和Al-15%Mg合金薄片的晶粒尺寸細(xì)化至10 nm以下并成功獲得Schwarz crystal結(jié)構(gòu)。他們利用這種Schwarz crystal結(jié)構(gòu)系統(tǒng)研究了該合金在升溫過程中的三種原子擴散控制的結(jié)構(gòu)演化過程：金屬間化合物的析出過程、晶粒長大過程和熔化過程。結(jié)果表明在接近合金熔點的高溫下，Schwarz crystal結(jié)構(gòu)可以有效抑制這三種結(jié)構(gòu)演化過程，甚至使合金的熔化溫度比平衡熔點提升了69 K，表現(xiàn)出超低的原子擴散速率。此現(xiàn)象源于平均曲率為零的極小界面結(jié)構(gòu)不但具有極高的高溫結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，而且改變了界面原子的振動模式，從而抑制了原子的擴散。
該研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃和中國科學(xué)院科學(xué)家工作室計劃的資助。
（中國日報遼寧記者站）
