铝合金顶科学！李秀妍& ampamp卢柯院士再次携手取得重要突破。
这里，中国科学院金属研究所的李秀妍&；卢柯院士等研究人员发现，施瓦兹晶体结构可以有效抑制过饱和Al-Mg合金中极细晶粒的原子扩散。相关论文发表在最新一期《科学》杂志上，标题为“用施瓦兹晶体结构保证Al-Mg合金抑制原子扩散”。
纸质链接:
https://science.sciencemag.org/content/373/6555/683
由于原子间键的性质，金属中的原子扩散率明显高于陶瓷和具有共价键或离子键的化合物。通过在合成和后续处理过程中定制扩散控制工艺，这一特性使得结构在不同的长度尺度上具有很大的可调性，从而使得金属材料具有广泛的性能和特性。例如，铝合金可以通过在接近室温下老化以沉淀金属间化合物来硬化。在形变热处理中，通过控制扩散相变可以广泛地调节钢的强度和塑性。然而，当金属暴露于高温或机械负载时，高原子扩散率使得金属的结构和定制性能不稳定。这种不稳定性已成为金属材料发展的主要瓶颈，极大地限制了其在高温下的技术应用。
阻止金属中的原子扩散是一个挑战，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，因此通过抑制晶格扩散将限制大量金属与外来元素的合金化。与更开放的结构相关的界面或晶界(GBs)被认为是原子相对于晶格的快速扩散通道。通过优化其它元素的晶界偏析，可以减缓沿晶界的扩散。但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。
通过形成单晶来消除扩散界面是降低扩散速率的常用策略，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，在较高温度下也不能抑制高扩散系数。替代扩散和自扩散受空位扩散机制控制。在更高的温度下，晶格中的平衡空位浓度显著增加，这必然增加原子的扩散率。
最近，研究人员在纯铜中发现了一种具有极其细小晶粒的亚稳态结构:施瓦兹晶体结构，其界面受孪晶界的限制最小。虽然它包含非常高密度的界面，但这种结构在熔点附近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晶体结构在高温下能否抑制合金中原子的扩散是非常有趣的。
铝是一种具有高扩散性的金属，而镁是其扩散最多的合金元素之一。在这里，研究人员观察到了具有Schwarz晶体结构的过饱和Al-Mg合金的扩散行为。研究了不同温度下金属间化合物的扩散过程，如沉淀、晶粒粗化和熔化。发现施瓦兹晶体结构在结构熔化前能有效地抑制原子扩散。通过形成这些稳定的结构，扩散控制的金属间化合物从纳米晶体的沉淀和它们的粗化被抑制，直到平衡熔化温度，并且在平衡熔化温度附近，表观跨界扩散速率降低了大约7个数量级。利用Schwarz晶体结构开发先进的工程合金可能为高温应用带来有用的性能。
图1 SC-8结构特征。
退火后的结构演变。
晶格常数和晶粒尺寸的稳定性。
图4退火后的元素分布。
在这里，研究人员在这种过饱和Al-Mg合金中观察到的结果与之前在纯Cu Schwarz晶体样品中观察到的结果一致，是一个自扩散控制的过程。金属中Schwarz晶体结构的非扩散特性对于理解基本的界面扩散过程和固态输运力学，尤其是高温下的界面扩散过程具有重要意义。Schwarz晶体似乎提供了一个固体屏障，以防止金属和替代合金中的原子扩散，并提高熔点温度的稳定性。这种稳定性远远高于传统合金。利用施瓦茨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特性。(文:水生)
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