中科学金属所最新Science：用Schwarz晶体结构抑制过饱和Al-Mg合金中的原子扩散

【引言】

由于原子间键的性质，相对于陶瓷和具有共价键或离子键的化合物，金属中的原子扩散率明显更高。通过在合成和后续处理过程中调整扩散控制过程，可以在不同的长度尺度上对结构进行大幅度的调整，从而使金属材料具有广泛的特性和性能。然而，当金属暴露在高温或机械载荷下时，高原子扩散率使得金属的结构和定制性能不稳定。这种不稳定性成为金属材料发展的主要瓶颈，极大地限制了它们在高温下的技术应用。抑制原子在金属中的扩散是一项挑战，特别是在高温下。界面或晶界（GBs）被认为是原子（相对于晶格）的快速扩散通道。通过优化其他元素的GB偏析，可以减缓沿着GBs的扩散。然而，随着GB合金化程度的增加，第二相形成的趋势增加，又限制了GB合金化的发展。通过形成单晶消除扩散界面是降低扩散率的标准策略，例如，在制造用于涡轮发动机高温应用的超合金单晶叶片时所采用的方法。然而，即使在单晶金属中，高扩散系数在较高的温度下也不能被抑制。在较高的同系温度下，晶格中的平衡空位浓度显著增加，不可避免地提高了原子的扩散率。最近在纯铜中发现了一种极细晶粒的亚稳态结构：一种Schwarz晶体结构，其极小界面受孪晶界限制。尽管它包含极高密度的界面，这种结构在接近熔点的高温下表现出非常高的热稳定性，防止晶粒粗化。因此，探索这种稳定的Schwarz晶体结构是否能够抑制高温下合金中原子的扩散是非常有意义的。

【成果简介】

今日，在中国科学院金属研究所卢柯院士和李秀艳研究员团队等人带领下，发现受限晶体（Schwarz crystal）结构在具有极细晶粒的过饱和Al-Mg合金中可以有效地抑制原子扩散。通过形成这些稳定的结构，纳米级晶粒的扩散控制金属间化合物析出及其粗化被抑制到平衡熔化温度，在这个温度附近，表观跨界扩散率降低了约7个数量级。利用Schwarz晶体结构开发先进的工程合金可能会为高温应用带来有用的性能。相关成果以题为“Suppressing atomic diffusion with the Schwarz crystal structure in supersaturated Al–Mg alloys”发表在了Science。

【图文导读】

图1 SC-8样品的结构表征

图2 退火后的结构演变

图3 晶格常数和晶粒尺寸的稳定性

图4 退火时的元素分布文献链接：Suppressing atomic diffusion with the Schwarz crystal structure in supersaturated Al–Mg alloys（Science，2021，DOI:10.1126/science.abh0700）

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