铝合金登顶《Science》！李秀艳&卢柯院士再度联手取得重要突破！

金属中的原子扩散率高，通过调整扩散过程，使其结构和性能具有很大的可调性，但这导致它们的性能在高温下不稳定。通过制造单晶或大量合金化来消除扩散界面有助于解决这个问题，但在较高的同源温度下不能抑制原子扩散。

在此，来自中国科学院金属研究所的李秀艳&卢柯院士等研究者，研究发现Schwarz晶体结构，在具有极细晶粒的过饱和铝镁合金中，可以有效地抑制原子扩散。相关论文以题为“Suppressing atomic diffusion with the Schwarz crystal structure insupersaturated Al–Mg alloys”发表在最新一期Science上。

论文链接：

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

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定制扩散控制过程，这一特性使得结构在不同长度尺度上具有很大的可调性，从而使金属材料具有广泛的性能和性能。例如，铝合金可以通过在室温附近时效以析出金属间化合物而硬化。在热机械处理中，通过控制扩散相变可以广泛地调节钢的强度和塑性。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。

抵抗原子在金属中的扩散是一项挑战，尤其是在高温下。在高熵合金中，几种不同的金属元素混合在一个晶格中，将金属与外来元素大量合金化会受到抑制晶格扩散的限制。与更开放的结构相关联的界面或晶界(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GB的扩散。然而，随着合金化程度的增加，第二相形成的趋势增加，限制了GB合金化的发展。

通过形成单晶消除扩散界面，是降低扩散率的常用策略，例如，在涡轮发动机的高温应用中制造高温合金单晶叶片的实践。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。取代扩散和自扩散是由空位扩散机制控制的。在较高的相应温度下，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。

近期，研究者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，其界面受孪晶界限制最小。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，以防止晶粒粗化。因此，探索这种稳定的Schwarz晶体结构是否能够抑制合金中原子在高温下的扩散是非常有趣的。

铝是一种高扩散率金属，Mg是其最扩散的合金元素之一。在此，研究者观察了具有Schwarz晶体结构的过饱和Al-Mg合金的扩散行为。在不同的温度下，研究了金属间化合物的析出、晶粒粗化和熔化等扩散过程。研究发现Schwarz晶体结构在结构熔化前有效地抑制原子扩散。通过形成这些稳定的结构，抑制了扩散控制的金属间化合物从纳米晶粒的析出和它们的粗化，直到平衡熔化温度，在平衡熔化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。

图1 SC-8样品的结构表征。

图2 退火后结构演变。

图3 晶格常数和晶粒尺寸的稳定性。

图4 退火后元素分布。

在此，研究者在这种过饱和Al-Mg合金中的观察结果与之前在纯Cu Schwarz晶体样品中观察到的抑制粗化直至熔点的纳米晶粒的观察结果相一致，这是一个自扩散控制的过程。Schwarz晶体结构在金属中的无扩散特性对于理解基本的界面扩散过程和固态输运动力学具有重要意义，特别是在高温下。Schwarz晶体似乎为阻止原子在金属和替代合金中的扩散提供了一个坚固的屏障，提高了熔点温度的稳定性。这种稳定性远高于传统合金。利用Schwarz晶体结构开发先进的铝和其他合金，将使材料在高温应用中具有有用的性能。（文：水生）