突破高性能金屬材料發展瓶頸有了新路徑

從中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家研究中心獲悉，該中心納米金屬科學家工作室研究發現，受限晶體結構可顯著降低鋁鎂合金中的高溫原子擴散速率。在鋁鎂合金平衡熔化溫度附近，受限晶體結構的表觀晶間擴散速率比同成分材料的晶間擴散降低約7個數量級。相關研究結果發表在《科學》周刊上。該發現不但揭示了受限晶體結構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結構得到大幅度降低，這為發展高性能高熱穩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象，也是材料制備加工過程中調控材料結構性能的一個基本過程。利用金屬的高擴散速率可以在較低溫度下大幅度調控金屬材料的結構和性能，從而獲得良好的綜合性能，但高擴散速率亦會導致金屬材料在高溫下結構失穩，很多金屬會出現優異性能喪失、強度下降等現象。如何有效降低金屬和合金中的原子擴散，提高材料結構和性能在高溫下的穩定性，是發展高性能金屬材料的重要技術瓶頸之一。

“提升高溫合金耐熱溫度，其本質是為了有效降低合金中的原子擴散速率，以增強其結構的高溫穩定性。”研究人員介紹。過去的研究表明，通過適當的合金化和減少晶界等結構缺陷，可以在一定范圍內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。

2020年，該團隊發現了一種新型亞穩結構即受限晶體結構，這為探索固態物質結構基本特征及其新性能開辟了一個全新空間。此后，研究團隊利用自主研發的低溫塑性變形技術，將過飽和Al-15%Mg合金薄片的晶粒尺寸細化至10 nm以下，并成功獲得受限晶體結構。利用該結構，系統研究了該合金在升溫過程中的三種原子擴散控制的結構演化過程。

研究表明，在接近合金熔點的高溫下，受限晶體結構可以有效抑制這三種結構演化過程，甚至使合金的熔化溫度比平衡熔點提高了69 K，表現出超低的原子擴散速率。

摘自《科技日報》