耐高温铜合金最新Science!

一、【科学背景】

在材料科学领域，开发能够在高温环境下保持优异性能的合金一直是研究的重点之一。镍基高温合金由于其在高温下优异的强度和抗蠕变性能，在航空航天、能源等领域得到了广泛应用。这些高温合金的优异性能主要归功于其γ'相的存在，这种相具有有序的L1₂晶体结构，能够有效地阻碍位错运动，从而提高材料的强度和热稳定性。传统的铜合金在高温下容易发生晶粒粗化和蠕变变形，导致其性能下降。因此，科研工作者希望借鉴镍基高温合金的设计理念，开发出一种新型的高温铜合金。这种合金能够在接近熔点的温度下工作，同时保持最小的晶粒粗化和蠕变变形。

二、【创新成果】

基于以上难题，美国马里兰州阿伯丁试验场陆军研究实验室K. A. Darling教授、里海大学M. P. Harmer教授和亚利桑那州立大学K. Solanki教授等人联合在Science上发表了题为“A high-temperature nanostructured Cu-Ta-Li alloy with complexion-stabilized precipitates”的论文，报道开发了一种块体纳米晶铜合金Cu-Ta-Li，其可以在接近融化的温度下表现出优异的抗粗化和抗蠕变性能。具体的，这种合金通过在不混溶的Cu-Ta系统中添加0.5%的锂（Li），将纳米尺度沉淀相的形态从球形变为立方体，并同时调整了相界。这种合金的设计基于纳米晶Cu-Ta模型合金系统，通过添加锂来调节Ta基纳米簇的形成、结构、形态、相干关系和空间分布。通过HAADF-STEM和APT等技术对合金的微观结构进行了详细的表征发现，Cu₃Li沉淀相具有有序的立方晶体结构，与基体相具有良好的相干性。所制备铜合金的室温屈服强度达1120 MPa，且在800 ℃退火10000小时后，屈服强度仅从983 MPa降低到947 MPa。此外，通过DFT计算，研究人员进一步探讨了Cu₃Li沉淀相的形成和稳定性的原子起源，发现钽（Ta）原子双层在维持Cu₃Li沉淀相的相干性和热稳定性方面起到了关键作用。这种基础合金设计原则可以为下一代铜合金在热交换器等高温应用中的开发提供指导。

三、【图文解析】

图1  Cu-3Ta合金中析出物和Cu-3Ta-0.5Li合金中析出物之间的结构差异 © 2025 AAAS

图2  Cu-3Ta-0.5Li的APT分析 © 2025 AAAS

图3  电子和结构特性的DFT模拟 © 2025 AAAS

图4  Cu-Ta-Li、Cu-Ta和商用铜合金的性能对比 © 2025 AAAS

四、【科学启迪】

综上，本研究通过在Cu-Ta合金中添加微量锂，成功开发出一种具有高温稳定性的Cu-Ta-Li合金。这种合金的Cu₃Li沉淀相具有有序的L1₂晶体结构，并且被富钽的原子双层相界所包围，这种结构在高温下表现出优异的抗粗化和抗蠕变性能，其室温屈服强度达1120 MPa，且在800 ℃退火10000小时后，屈服强度仅从983 MPa降低到947 MPa。随后利用DFT计算，揭示了Cu₃Li沉淀相的形成机制和Ta原子双层的电子作用。计算结果表明，Ta原子双层通过吸收Cu₃Li沉淀相中的电子，增强了沉淀相与基体之间的界面稳定性，从而提高了合金的热稳定性。本研究不仅为开发新型高温铜合金提供了新的思路和方法，还为理解合金中相界复合体的作用机制提供了重要的理论依据。这种合金的设计理念和微观结构调控方法有望被推广到其他合金体系中，为开发更多高性能合金材料提供了参考。

原文详情：A high-temperature nanostructured Cu-Ta-Li alloy with complexion-stabilized precipitates (Science 2025, 387, 1413-1417)

本文由大兵哥供稿。