香港城市大学Nat. Commun.：通过可控缓慢晶格扩散实现高热稳定纳米相的构筑

研究背景：

具有优异热稳定性的纳米结构材料已经在功能和结构性能方面表现出了独特的优势。特别地，“纳米相强化”，已广泛应用于各类高强结构材料的设计，例如铝合金、钢和高温合金等，这些材料在各种技术和工业领域发挥着至关重要的作用，如航空航天、汽车和核工程。然而，这些纳米相颗粒在高温下往往很容易快速粗化，显著降低材料的承载能力，从而导致灾难性事故。尽管过去已经做了大量的研究工作，但此类的粗化行为仍然很难避免。近年来，由于特有的缓慢晶格扩散效应，化学复杂类合金（或称为高熵合金）在开发具有独特物理、热稳定和机械性能方面提供了可能的新途径。然而，直到现在，由于缺乏系统、定量化的探究，这种缓慢晶格扩散效应的内在机制尚未得到很好理解与认知，使得人们很难可控地设计出具有超稳定纳米结构的化学复杂类合金。

为此，香港城市大学杨涛教授领衔的研究团队在其最新的研究中成功揭示了化学复杂类合金中控制其缓慢扩散效应的关键内因。该研究以NiCoFeCrAlTiB高熵合金体系为对象，发现通过调整Co浓度能够定量控制合金的缓慢晶格扩散效应，显著抑制纳米相的高温粗化速率，从而获得具有优异热稳定的纳米颗粒增强型高熵合金。该发现有望为高强韧、高热稳定的新型纳米结构材料的设计提供重要的理论基础与科学指导。相关成果以“Achieving thermally stable nanoparticles in chemically complex alloys via controllable sluggish lattice diffusion”为题，于2022年08月18日发表在国际顶尖期刊《Nature Communications》上。论文通讯作者为香港城市大学杨涛教授，第一作者为肖博（博士后）。共同通讯作者为开执中教授。其他合作者包括香港城市大学栾军华博士、赵仕俊教授和刘锦川教授；中南大学张利军教授和陈诗瑶博士；哈尔滨工业大学（深圳）赵怡潞教授，天津大学徐连勇教授等。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-32620-6

图文摘要：

图1 Co添加提高纳米相的热稳定性

图2 纳米相结构和成分信息

图3 纳米相粗化动力学与粗化机制

图4 Co浓度对NiCoFeCrAlTiB体系中Al, Co, Cr, Fe, Ti元素的扩散系数的影响

图5 第一性原理计算揭示最近邻Co原子对Al扩散的影响机制

小结与展望：

研究者们通过多尺度的实验表征和理论模拟，成功找到了有效稳定纳米析出相的核心因素，揭示了通过调整Co含量可定量控制这种缓慢晶格扩散效应，能够显著阻止纳米相在800-1000°C下的快速粗化。这些研究发现可以为具有良好机械性能和热性能的合金的开发提供新策略，也有望应用到其他的金属结构材料，从而进一步推动材料的组织优化与性能提升。