突破高性能高熱穩(wěn)定性金屬材料發(fā)展瓶頸 有了新路徑

記者從中國(guó)科學(xué)院金屬研究所沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家研究中心獲悉，該中心納米金屬科學(xué)家工作室博士后徐偉、張波研究員、李秀艷研究員和盧柯院士等研究發(fā)現(xiàn)，受限晶體結(jié)構(gòu)可顯著降低鋁鎂合金中的高溫原子擴(kuò)散速率。在鋁鎂合金平衡熔化溫度附近，受限晶體結(jié)構(gòu)的表觀晶間擴(kuò)散速率比同成分材料的晶界擴(kuò)散降低約7個(gè)數(shù)量級(jí)。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在《科學(xué)》周刊上。

該發(fā)現(xiàn)不但揭示了受限晶體結(jié)構(gòu)的一種全新原子擴(kuò)散行為，而且表明金屬材料的高溫原子擴(kuò)散速率可以利用這種新型亞穩(wěn)結(jié)構(gòu)得到大幅度降低，這為發(fā)展高性能高熱穩(wěn)定性金屬材料開(kāi)辟了一條全新的途徑。

原子擴(kuò)散是自然界的一種常見(jiàn)現(xiàn)象，也是材料制備加工過(guò)程中調(diào)控材料結(jié)構(gòu)性能的一個(gè)基本過(guò)程。利用金屬的高擴(kuò)散速率可以在較低溫度下大幅度調(diào)控金屬材料的結(jié)構(gòu)和性能，從而獲得良好的綜合性能，但高擴(kuò)散速率亦會(huì)導(dǎo)致金屬材料在高溫下結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，很多金屬會(huì)出現(xiàn)優(yōu)異性能喪失、強(qiáng)度下降等現(xiàn)象。

如何有效降低金屬和合金中的原子擴(kuò)散，提高材料結(jié)構(gòu)和性能在高溫下的穩(wěn)定性，是發(fā)展高性能金屬材料的重要技術(shù)瓶頸之一。

“提升高溫合金耐熱溫度，其本質(zhì)是為了有效降低合金中的原子擴(kuò)散，以增強(qiáng)其結(jié)構(gòu)的高溫穩(wěn)定性。”研究人員介紹。過(guò)去的研究表明，通過(guò)適當(dāng)?shù)暮辖鸹蜏p少晶界等結(jié)構(gòu)缺陷，可以在一定范圍內(nèi)降低原子的擴(kuò)散速率，但是降低幅度有限，尤其是在接近材料熔點(diǎn)的高溫下，降低原子擴(kuò)散速率十分困難。

2020年，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一種新型亞穩(wěn)結(jié)構(gòu)即受限晶體結(jié)構(gòu)，這為探索固態(tài)物質(zhì)結(jié)構(gòu)基本特征及其新性能開(kāi)辟了一個(gè)全新空間。此后，研究團(tuán)隊(duì)利用自主研發(fā)的低溫塑性變形技術(shù)，將過(guò)飽和Al-15%Mg合金薄片的晶粒尺寸細(xì)化至10納米以下，并成功獲得受限晶體結(jié)構(gòu)。利用該結(jié)構(gòu)，他們系統(tǒng)研究了該合金在升溫過(guò)程中的三種原子擴(kuò)散控制的結(jié)構(gòu)演化過(guò)程。

研究表明，在接近合金熔點(diǎn)的高溫下，受限晶體結(jié)構(gòu)可以有效抑制這三種結(jié)構(gòu)演化過(guò)程，甚至使合金的熔化溫度比平衡熔點(diǎn)提升了69K，表現(xiàn)出超低的原子擴(kuò)散速率。(記者郝曉明)

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