在高溫下具有高強度的合金，對包括航空航天在內的許多重要行業至關重要。具有有序超晶格結構的合金在這方面很有吸引力，但通常韌性差，晶粒粗化快。近日，香港城市大學的劉錦川院士團隊發現，納米級無序界面可以有效地克服以上問題。相關論文以題為“Ultrahigh-strength and ductile super lattice alloys with nanoscale disordered interfaces”于07月24日發表在Science上。

論文鏈接：https://science.sciencemag.org/content/369/6502/427

原子緊密排列有序結構的合金是位于普通金屬和硬陶瓷之間的一類結構材料，具有潛在的新機械性能。這些長程有序超晶格合金具有很強的化學結合能力和較低的原子遷移率，這使得它們在高溫結構應用領域非常具有吸引力，可用于提高諸如航空航天、汽車、燃氣渦輪發動機和許多其他行業的能源效率。自20世紀50年代以來，大量的努力致力于研究和開發大塊有序合金。盡管已經取得了許多進展，但這些合金的廣泛應用仍然難以實現，這在很大程度上受到環境溫度下強度和延展性之間不可調和的沖突的限制。

當合金的晶體結構變得高度有序時，在環境溫度下就很容易發生災難性的脆性破壞，破壞合金最理想的性能。因此，大多數具有超高強度（GPa水平）的常規有序合金在拉伸變形過程中，會變得非常脆，而這嚴重限制了它們在結構上的潛在應用。例如，具有拓撲封閉結構（TCP）的合金（即，Laves-相有序合金）在高溫下提供了可觀的強度（或硬度），但它們的操作滑移系統數量不足，經受不住較大拉伸。在一些立方有序合金中，如二元Ni3Al、FeAl和NiAl等鋁化物，存在可觀的延展性，然而，它們的屈服強度在環境溫度下仍然相當有限，在許多工程領域中還不夠強。

此外，在高溫下缺乏足夠的熱穩定性是它們實際應用的另一個問題。多晶合金在高溫下通常不穩定。熱驅動的結構不穩定性，如快速或異常的晶粒粗化和相關的軟化行為，嚴重限制了它們在高溫下的使用。一個解決辦法是植入大的單晶體來解決這個問題，但是，這種技術需要一套極其復雜的工藝，且制造成本高，生產周期長。

在此，研究者通過可控地結合多種元素，采用電弧熔煉和熱機械加工合成了Ni43.9Co22.4Fe8.8Al10.7Ti11.7B2.5[原子百分比（at %）]合金。此超晶格材料（SMs）具有納米級無序界面（NDI-SMs），具有多晶形態（11.0 ± 7.5 mm的平均晶粒尺寸），具有由無序界面納米層（DINL）包裹的微米級有序超晶格顆粒（OSG）的異常結構特征。此納米層作為一個可持續的延展性源，通過增強位錯的可動性來防止脆性晶間斷裂。研究者獲得的超晶格材料具有1.6 GPa的超高強度，在環境溫度下的拉伸延展性為25%。同時，研究者實現了可以忽略的晶粒粗化，在高溫下具有特殊的耐軟化性。

圖1 超晶格材料不尋常的納米級界面無序結構。

圖2 NDI-SMs的三維組成分布和納米級界面共混。

圖3 NDI-SMs的機械性能和熱穩定性。

圖4 塑性變形、微觀機制和界面無序延化。

綜上所述，研究者成功合成了超晶格合金的復合結構，特別是多元素共分離誘發的界面無序，可以用來設計高強度的超晶或納米晶材料，具有增強的晶界穩定性和相應的抗粗化能力。這種方法應該適用于許多其他金屬體系，特別是組成復雜的有序合金，有效克服了高溫結構材料的相關缺點。這些超晶格材料將在航空航天、汽車、核能、化學工程等其他應用領域引起廣泛的興趣。