突破高性能金属材料发展瓶颈有了新路径

从中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心获悉，该中心纳米金属科学家工作室研究发现，受限晶体结构可显著降低铝镁合金中的高温原子扩散速率。在铝镁合金平衡熔化温度附近，受限晶体结构的表观晶间扩散速率比同成分材料的晶间扩散降低约7个数量级。相关研究结果发表在《科学》周刊上。该发现不但揭示了受限晶体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，这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。

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。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，从而获得良好的综合性能，但高扩散速率亦会导致金属材料在高温下结构失稳，很多金属会出现优异性能丧失、强度下降等现象。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，是发展高性能金属材料的重要技术瓶颈之一。

“提升高温合金耐热温度，其本质是为了有效降低合金中的原子扩散速率，以增强其结构的高温稳定性。”研究人员介绍。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點的高温下，降低原子扩散速率十分困难。

2020年，该团队发现了一种新型亚稳结构即受限晶体结构，这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。此后，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10 nm以下，并成功获得受限晶体结构。利用该结构，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。

研究表明，在接近合金熔点的高温下，受限晶体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高了69 K，表现出超低的原子扩散速率。

摘自《科技日报》