近日，南方科技大學(xué)材料科學(xué)與工程系教授任富增課題組在納米材料頂刊Nano Letters上發(fā)表題目為“Dual-Nano Composite Design with Grain Boundary Segregation for Enhanced Strength and Plasticity in CoCrNi-CuZr Thin Films”的研究論文，研究發(fā)現(xiàn)通過(guò)引入高密度納米孿晶和非晶-納米晶雙重納米復(fù)合結(jié)構(gòu)耦合界面元素偏析，可以有效解決高強(qiáng)度納米結(jié)構(gòu)材料中的應(yīng)變局域化問(wèn)題，為實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度和大塑性協(xié)同提供了新思路。

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https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.4c04755

在金屬材料中實(shí)現(xiàn)超高強(qiáng)度和大的均勻塑性變形是材料科學(xué)領(lǐng)域的重大挑戰(zhàn)。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，晶粒細(xì)化和非晶化等手段可以強(qiáng)化金屬材料，然而這些納米結(jié)構(gòu)材料或非晶合金通常出現(xiàn)應(yīng)變局域化的問(wèn)題，限制了塑性變形能力。該研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)引入高密度納米孿晶和納米晶-非晶復(fù)合結(jié)構(gòu)，可以有效解決高強(qiáng)度納米結(jié)構(gòu)材料中的應(yīng)變局域化問(wèn)題。此外，界面元素偏析通過(guò)降低界面能進(jìn)一步提高變形穩(wěn)定性。本研究提出了一種設(shè)計(jì)策略，將納米孿晶、納米晶-非晶復(fù)合結(jié)構(gòu)和界面偏析相結(jié)合，以提高納米結(jié)構(gòu)材料的強(qiáng)度和變形穩(wěn)定性，進(jìn)而協(xié)同提升金屬材料的強(qiáng)塑性。

基于此，任富增課題組選擇具有低層錯(cuò)能合金作為基體，以促進(jìn)高密度納米孿晶的形成，并引入與基體合金元素之間正混合焓的非晶第二相，從而誘導(dǎo)非晶相的形成和界面元素偏析，構(gòu)筑高密度納米孿晶和非晶-納米晶雙重納米復(fù)合結(jié)構(gòu)并耦合界面偏析，以期實(shí)現(xiàn)對(duì)合金薄膜強(qiáng)塑性的協(xié)同提升。

該研究選用低層錯(cuò)能CoCrNi和非晶CuZr合金靶材，利用磁控共濺射技術(shù)，通過(guò)優(yōu)化濺射工藝參數(shù)，成功制備出(CoCrNi)91(CuZr)9復(fù)合薄膜，系統(tǒng)研究了其微觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能和變形機(jī)理。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，制備的(CoCrNi)91(CuZr)9合金薄膜呈典型的柱狀納米結(jié)構(gòu)（寬度為67.4 ± 25.7 nm），柱狀納米結(jié)構(gòu)內(nèi)部包含了納米晶-非晶雙相結(jié)構(gòu)（非晶占~10%），其中晶態(tài)相為密排立方（hcp）相以及面心立方（fcc）相，晶態(tài)相中包含高密度納米孿晶和層錯(cuò)。平均孿晶間距為0.80 nm，非晶相平均直徑為3.39 nm，界面存在明顯的Cr元素偏析（圖1）。

圖1. 雙重納米復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖（a）和(CoCrNi)91(CuZr)9合金薄膜微觀結(jié)構(gòu)（b-g）與成分（h）表征

微柱壓縮實(shí)驗(yàn)表明，雙重納米復(fù)合結(jié)構(gòu)的(CoCrNi)91(CuZr)9薄膜屈服強(qiáng)度高達(dá)4.0±0.2 GPa，比納米晶CoCrNi提高了18%，比非晶態(tài)CuZr提高了67%，強(qiáng)化作用顯著，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了超過(guò)30%的均勻變形，抑制了納米晶CoCrNi和非晶態(tài)CuZr中出現(xiàn)的應(yīng)變局域化現(xiàn)象（圖2）。基于變形后的微觀組織分析和變形過(guò)程力學(xué)響應(yīng)的有限元模擬，闡明該雙重納米復(fù)合結(jié)構(gòu)的變形機(jī)制。隨加載過(guò)程進(jìn)行，在納米晶區(qū)域納米孿晶密度減小，層錯(cuò)增加，然后通過(guò)層錯(cuò)的相互作用形成 L-C 鎖。同時(shí)，柱狀納米晶和富Cr界面在外圍區(qū)域發(fā)生彎曲，芯部區(qū)域發(fā)生晶粒細(xì)化進(jìn)一步增加界面體積分?jǐn)?shù)，并伴隨納米尺度非晶相的塑性流變，提供持續(xù)的應(yīng)變硬化。在這一過(guò)程中，高密度納米孿晶、柱狀界面和納米晶-非晶界面阻礙了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)并均勻分散應(yīng)力，有助于提高材料的屈服強(qiáng)度和均勻變形能力，富Cr界面通過(guò)降低界面能提高變形穩(wěn)定性（圖3）。

圖2. 非晶CuZr、納米晶CoCrNi和雙重納米復(fù)合結(jié)構(gòu)(CoCrNi)91(CuZr)9薄膜的微柱壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線（a）和變形前后形貌（b-d）

圖3. 雙重納米復(fù)合結(jié)構(gòu)(CoCrNi)91(CuZr)9薄膜在力學(xué)響應(yīng)中的有限元模擬（a）和變形機(jī)制示意圖（b）

另外，通過(guò)大變形量納米壓痕測(cè)試和截面微觀結(jié)構(gòu)分析進(jìn)一步驗(yàn)證了該雙重納米復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來(lái)的優(yōu)異協(xié)同變形能力（圖4）。該研究提出的雙重納米復(fù)合結(jié)構(gòu)策略有望推廣至其他合金體系，以開(kāi)發(fā)高強(qiáng)度、大塑性及持續(xù)應(yīng)變硬化的先進(jìn)金屬材料。

圖4. 非晶CuZr、納米晶CoCrNi、雙重納米復(fù)合結(jié)構(gòu)(CoCrNi)91(CuZr)9薄膜的納米壓痕表面形貌（a）和測(cè)試后 (CoCrNi)91(CuZr)9薄膜截面微觀結(jié)構(gòu)（b-g）

任富增教授課題組博士生莊啟明和博士后梁釘山為論文共同第一作者，任富增教授為論文唯一通訊作者；南方科技大學(xué)為論文第一單位和通訊單位。本項(xiàng)研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年科學(xué)基金和廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金的資助以及南科大公共分析測(cè)試中心的技術(shù)支持。