原子擴(kuò)散是自然界的常見現(xiàn)象，也是材料制備加工過程中調(diào)控材料結(jié)構(gòu)性能的基本過程。金屬材料中原子擴(kuò)散速率顯著高于具有共價(jià)鍵或離子鍵的陶瓷和化合物，利用金屬的高擴(kuò)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。而高擴(kuò)散速率會(huì)使金屬材料在高溫下結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，導(dǎo)致較多優(yōu)異性能喪失，如較多金屬的強(qiáng)度在高溫下會(huì)顯著下降。如何有效降低金屬和合金中的原子擴(kuò)散，提高材料結(jié)構(gòu)和性能在高溫下的穩(wěn)定性，是材料科技領(lǐng)域的重要科學(xué)難題，也是發(fā)展高性能金屬材料的技術(shù)瓶頸。實(shí)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(kuò)散以增強(qiáng)其結(jié)構(gòu)的高溫穩(wěn)定性。以往研究表明，通過適當(dāng)?shù)暮辖鸹蜏p少晶界等結(jié)構(gòu)缺陷可在一定范圍內(nèi)降低原子的擴(kuò)散速率，但降低幅度有限。尤其是在接近材料熔點(diǎn)的高溫下，降低原子擴(kuò)散速率十分困難，這是由于在接近熔點(diǎn)時(shí)金屬原子振動(dòng)加劇，晶格中的平衡空位濃度急劇升高，導(dǎo)致原子擴(kuò)散大幅提升。

　　近日，中國(guó)科學(xué)院金屬研究所沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家研究中心納米金屬科學(xué)家工作室在上述科學(xué)難題研究中取得重要進(jìn)展。金屬所博士后徐偉、研究員張波與李秀艷，以及中科院院士盧柯等發(fā)現(xiàn)，Schwarz crystal（受限晶體）結(jié)構(gòu)可以顯著降低鋁鎂合金中的高溫原子擴(kuò)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(kuò)散速率比同成分材料的晶界擴(kuò)散降低約7個(gè)數(shù)量級(jí)。8月6日，相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在《科學(xué)》上。該研究揭示了Schwarz crystal結(jié)構(gòu)的一種全新原子擴(kuò)散行為，并表明金屬材料的高溫原子擴(kuò)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全新的途徑。

　　Schwarz crystal結(jié)構(gòu)是該研究團(tuán)隊(duì)于2020年發(fā)現(xiàn)的新型亞穩(wěn)結(jié)構(gòu)【Science，370 (2020) 831-835】，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，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(zhǎng)大溫度接近銅的平衡熔點(diǎn)。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全新空間。繼Schwarz crystal結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)后，研究團(tuán)隊(duì)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10nm以下并獲得Schwarz crystal結(jié)構(gòu)。科研人員利用這種Schwarz crystal結(jié)構(gòu)，探究了該合金在升溫過程中的三種原子擴(kuò)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(zhǎng)大過程和熔化過程。結(jié)果表明，在接近合金熔點(diǎn)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(diǎn)提升了69K，表現(xiàn)出超低的原子擴(kuò)散速率。該現(xiàn)象源于平均曲率為零的極小界面結(jié)構(gòu)，具有極高的高溫結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，改變了界面原子的振動(dòng)模式，從而抑制了原子的擴(kuò)散。

　　研究工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和中科院科學(xué)家工作室計(jì)劃的資助。

　　論文鏈接 

圖1 受限晶體Al-Mg合金的結(jié)構(gòu)與成分

圖2 Al-Mg合金受限晶體的（SC-8）晶格常數(shù)、晶格中鎂含量及晶粒尺寸隨退