金屬中的原子擴(kuò)散率高，通過調(diào)整擴(kuò)散過程，使其結(jié)構(gòu)和性能具有很大的可調(diào)性，但這導(dǎo)致它們的性能在高溫下不穩(wěn)定。通過制造單晶或大量合金化來消除擴(kuò)散界面有助于解決這個問題，但在較高的同源溫度下不能抑制原子擴(kuò)散。

　　在此，來自中國科學(xué)院金屬研究所的李秀艷&盧柯院士等研究者，研究發(fā)現(xiàn)Schwarz晶體結(jié)構(gòu)，在具有極細(xì)晶粒的過飽和鋁鎂合金中，可以有效地抑制原子擴(kuò)散。相關(guān)論文以題為“Suppressing atomic diffusion with the Schwarz crystal structure insupersaturated Al–Mg alloys”發(fā)表在最新一期Science上。

　　論文鏈接：

　　https://science.sciencemag.org/content/373/6555/683

　　由于原子間鍵的性質(zhì)，相對于陶瓷和具有共價(jià)鍵或離子鍵的化合物，金屬中的原子擴(kuò)散率明顯更高。通過在合成和后續(xù)處理過程中定制擴(kuò)散控制過程，這一特性使得結(jié)構(gòu)在不同長度尺度上具有很大的可調(diào)性，從而使金屬材料具有廣泛的性能和性能。例如，鋁合金可以通過在室溫附近時效以析出金屬間化合物而硬化。在熱機(jī)械處理中，通過控制擴(kuò)散相變可以廣泛地調(diào)節(jié)鋼的強(qiáng)度和塑性。然而，當(dāng)金屬暴露在高溫或機(jī)械載荷下時，高原子擴(kuò)散率使得金屬的結(jié)構(gòu)和定制性能不穩(wěn)定。這種不穩(wěn)定性成為金屬材料發(fā)展的主要瓶頸，極大地限制了它們在高溫下的技術(shù)應(yīng)用。

　　抵抗原子在金屬中的擴(kuò)散是一項(xiàng)挑戰(zhàn)，尤其是在高溫下。在高熵合金中，幾種不同的金屬元素混合在一個晶格中，將金屬與外來元素大量合金化會受到抑制晶格擴(kuò)散的限制。與更開放的結(jié)構(gòu)相關(guān)聯(lián)的界面或晶界(GBs)，被認(rèn)為是原子相對于晶格的快速擴(kuò)散通道。通過優(yōu)化其他元素的GB偏析，可以減緩沿GB的擴(kuò)散。然而，隨著合金化程度的增加，第二相形成的趨勢增加，限制了GB合金化的發(fā)展。

　　通過形成單晶消除擴(kuò)散界面，是降低擴(kuò)散率的常用策略，例如，在渦輪發(fā)動機(jī)的高溫應(yīng)用中制造高溫合金單晶葉片的實(shí)踐。然而，即使在單晶金屬中，高擴(kuò)散系數(shù)在較高的溫度下也不能被抑制。取代擴(kuò)散和自擴(kuò)散是由空位擴(kuò)散機(jī)制控制的。在較高的相應(yīng)溫度下，晶格中的平衡空位濃度顯著增加，不可避免地提高了原子的擴(kuò)散率。

　　近期，研究者在純銅中發(fā)現(xiàn)了一種極細(xì)晶粒的亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)：一種Schwarz晶體結(jié)構(gòu)，其界面受孿晶界限制最小。盡管它包含極高密度的界面，這種結(jié)構(gòu)在接近熔點(diǎn)的高溫下表現(xiàn)出非常高的熱穩(wěn)定性，以防止晶粒粗化。因此，探索這種穩(wěn)定的Schwarz晶體結(jié)構(gòu)是否能夠抑制合金中原子在高溫下的擴(kuò)散是非常有趣的。

　　鋁是一種高擴(kuò)散率金屬，Mg是其最擴(kuò)散的合金元素之一。在此，研究者觀察了具有Schwarz晶體結(jié)構(gòu)的過飽和Al-Mg合金的擴(kuò)散行為。在不同的溫度下，研究了金屬間化合物的析出、晶粒粗化和熔化等擴(kuò)散過程。研究發(fā)現(xiàn)Schwarz晶體結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)熔化前有效地抑制原子擴(kuò)散。通過形成這些穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，抑制了擴(kuò)散控制的金屬間化合物從納米晶粒的析出和它們的粗化，直到平衡熔化溫度，在平衡熔化溫度附近表觀跨界擴(kuò)散率降低了約7個數(shù)量級。利用Schwarz晶體結(jié)構(gòu)開發(fā)先進(jìn)的工程合金，可能會為高溫應(yīng)用帶來有用的性能。

　　圖1 SC-8樣品的結(jié)構(gòu)表征。

　　圖2退火后結(jié)構(gòu)演變。

　　圖3晶格常數(shù)和晶粒尺寸的穩(wěn)定性。

　　圖4退火后元素分布。

　　在此，研究者在這種過飽和Al-Mg合金中的觀察結(jié)果與之前在純Cu Schwarz晶體樣品中觀察到的抑制粗化直至熔點(diǎn)的納米晶粒的觀察結(jié)果相一致，這是一個自擴(kuò)散控制的過程。Schwarz晶體結(jié)構(gòu)在金屬中的無擴(kuò)散特性對于理解基本的界面擴(kuò)散過程和固態(tài)輸運(yùn)動力學(xué)具有重要意義，特別是在高溫下。Schwarz晶體似乎為阻止原子在金屬和替代合金中的擴(kuò)散提供了一個堅(jiān)固的屏障，提高了熔點(diǎn)溫度的穩(wěn)定性。這種穩(wěn)定性遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)合金。利用Schwarz晶體結(jié)構(gòu)開發(fā)先進(jìn)的鋁和其他合金，將使材料在高溫應(yīng)用中具有有用的性能。（文：水生）