通過各種各樣的熱力學(xué)非平衡過程（快速淬火、物理或者化學(xué)氣相沉積、電沉積以及球磨等手段），可以形成過飽和固溶體從而調(diào)控金屬材料的性能，但過飽和固溶體在熱力學(xué)上處于不穩(wěn)定狀態(tài)，在加熱或者塑性變形時(shí)，它將分解成熱力學(xué)穩(wěn)定相以降低體系的自由能。長久以來，穩(wěn)定過飽和固溶體以防止其分解是十分有挑戰(zhàn)性的，尤其是在具有互溶間隙的合金體系中，相分解將通過上坡擴(kuò)散主導(dǎo)的調(diào)幅分解機(jī)制自發(fā)進(jìn)行。
大量研究表明，塑性變形誘導(dǎo)的晶粒細(xì)化在材料內(nèi)部引入高密度的晶界、空位和位錯(cuò)等缺陷，這些缺陷作為擴(kuò)散的通道，會加劇原子擴(kuò)散。在晶粒被充分細(xì)化的金屬和合金中，包括晶粒長大、第二相析出以及調(diào)幅分解在內(nèi)的各種擴(kuò)散過程被顯著促進(jìn)，這些現(xiàn)象在晶粒尺寸處于亞微米尺度的金屬和合金中尤為顯著。
近期，中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家研究中心納米金屬科學(xué)家工作室在這一科學(xué)難題研究方面取得新突破。研究團(tuán)隊(duì)利用自主研發(fā)的低溫塑性變形技術(shù)，將成分位于互溶間隙內(nèi)的過飽和Al-21.7at%Zn合金的晶粒尺寸細(xì)化至10 nm以下并獲得受限晶體結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)，單相過飽和固溶體結(jié)構(gòu)受限晶體Al-21.7at%Zn合金具有極高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，其在互溶間隙溫度范圍內(nèi)的調(diào)幅分解行為被完全抑制。此現(xiàn)象源于平均曲率為零的三維極小面界面結(jié)構(gòu)以及極小尺寸晶粒內(nèi)空位缺失同時(shí)抑制了置換式固溶體原子的晶間擴(kuò)散和晶格擴(kuò)散。此發(fā)現(xiàn)表明受限晶體結(jié)構(gòu)可以有效抑制合金中各種由擴(kuò)散控制的相變過程，進(jìn)一步證明了這種新型亞穩(wěn)結(jié)構(gòu)在金屬材料中的普適性，為提高過飽和固溶體穩(wěn)定性以及發(fā)展高性能金屬材料具有重要意義。
相關(guān)研究成果以“Stabilizing Supersaturation with Extreme Grain Refinement in Spinodal Aluminum Alloys”為題于6月5日在《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）期刊在線發(fā)表。沈陽材料科學(xué)國家研究中心徐偉副研究員、博士生鐘一鳴為共同第一作者，盧柯研究員、李秀艷研究員為通訊作者。
上述工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金以及中國科協(xié)青年人才托舉工程等項(xiàng)目的支持。
DOI：10.1002/adma.202303650
圖1.通過極端晶粒細(xì)化抑制調(diào)幅分解
