铝合金中受限晶体结构的扩散行为研究取得重要突破

颗粒在线讯：原子扩散是自然界的一种常见现象，也是材料制备加工过程中调控材料结构性能的一个基本过程。金属材料中原子扩散速率显著高于具有共价键或离子键的陶瓷和化合物，利用金属的高扩散速率可以在较低温度下大幅度调控金属材料的结构和性能，获得良好的综合性能。但另一方面，高扩散速率会使金属材料在高温下结构失稳，导致许多优异性能丧失，例如许多金属的强度在高温下会往往显著下降。如何有效降低金属和合金中的原子扩散，提高材料结构和性能在高温下的稳定性，一直是材料科技领域的一个重大科学难题，也是发展高性能金属材料的重要技术瓶颈之一。实际上，提升高温合金耐热温度的本质是如何有效降低合金中的原子扩散以增强其结构的高温稳定性。过去的研究表明，通过适当的合金化和减少晶界等结构缺陷可以在一定范围内降低原子的扩散速率，但是降低幅度有限。尤其是在接近材料熔点的高温下，降低原子扩散速率十分困难，这是由于在接近熔点时金属原子振动加剧，晶格中的平衡空位浓度急剧升高，导致原子扩散大幅提升。 

近期，中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心纳米金属科学家工作室在这一科学难题研究方面取得重大突破，徐伟、张波、李秀艳和卢柯等研究发现Schwarz crystal（受限晶体）结构可以显著降低铝镁合金中的高温原子扩散速率，在该合金平衡熔化温度附近Schwarz crystal结构的表观晶间扩散速率比同成分材料的晶界扩散降低约7个数量级。相关研究结果于2021年8月6日发表在《科学》（Science）周刊上。此发现不但揭示了Schwarz crystal结构的一种全新原子扩散行为，而且表明金属材料的高温原子扩散速率可以利用这种新型亚稳结构得到大幅度降低，为发展高性能高热稳定性金属材料开辟了一条全新的途径。 

Schwarz crystal结构是沈阳材料科学国家研究中心该研究团队2020年发现的一种新型亚稳结构（Science, 370 (2020) 831-835），它是一种具有孪晶限制的极细多晶体结构，其中晶粒之间的界面具有一种极小界面结构特征，被称为Schwarz-D界面，其平均曲率为零。因此这种结构具有极高的热稳定性和力学稳定性，纯铜Schwarz crystal结构的晶粒长大温度接近铜的平衡熔点。受限晶体结构的发现为探索固态物质结构基本特征及其新性能开辟了一个全新空间。继Schwarz crystal结构发现之后，该研究团队利用自主研发的低温塑性变形技术，将过饱和Al-15%Mg合金薄片的晶粒尺寸细化至10nm以下并成功获得Schwarz crystal结构。他们利用这种Schwarz crystal结构系统研究了该合金在升温过程中的三种原子扩散控制的结构演化过程：金属间化合物的析出过程、晶粒长大过程和熔化过程。结果表明在接近合金熔点的高温下，Schwarz crystal结构可以有效抑制这三种结构演化过程，甚至使合金的熔化温度比平衡熔点提升了69K，表现出超低的原子扩散速率。此现象源于平均曲率为零的极小界面结构不但具有极高的高温结构稳定性，而且改变了界面原子的振动模式，从而抑制了原子的扩散。 

该研究工作得到了国家重点研发计划和中国科学院科学家工作室计划的资助。 

图1. 受限晶体Al-Mg合金的结构与成分

图2. Al-Mg合金受限晶体的（SC-8）晶格常数、晶格中镁含量及晶粒尺寸随退