香港城市大学Nat Commun：通过缓慢晶格扩散效应实现高热稳定纳米析出相的可控构筑

众所周知，“一代材料、一代技术、一代产业”。加快高性能金属结构材料及其先进制造技术的创新设计对于推动我国高新技术自主创新、促进产业结构转型升级、摆脱国外垄断封锁具有重要意义。当前，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，“纳米析出强化”，已广泛应用于各类高强度结构合金的设计之中，例如铝合金、钢和高温合金等，这些特种合金材料在多个技术和工业领域发挥着至关重要的作用，如航空航天、汽车和能源化工等。然而，这些纳米析出相颗粒在高温下往往很容易快速粗化，从而显著降低了材料的承载能力，最终可能导致灾难性事故的发生，对经济和社会造成巨大的损失。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。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，通过可控增加Co元素的添加含量（0, 15, 30 at.%）能够显著阻止L1₂纳米相在800-1000 °C下的粗化行为。

图1. Co元素的添加对不同温度下纳米析出相热稳定性的影响

图2. 纳米相晶体结构、化学成分分布等相关信息

图3. 纳米相再在不同温度下的粗化动力学及其微观机制

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

图5. 借助于第一性原理计算揭示了最近邻Co原子分布对Al原子扩散行为的影响机制

相关成果发表在国际顶尖期刊Nature Communications 上。该研究的发现一方面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，另一方面也有望应用到其他的金属结构材料，从而进一步推动不同金属结构材料的组织优化与性能提升。该论文的第一作者为香港城市大学的肖博博士，通讯作者香港城市大学材料科学与工程系的杨涛教授，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。研究受到了香港研究资助局，国家自然科学基金等项目的支持。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Achieving thermally stable nanoparticles in chemically complex alloys via controllable sluggish lattice diffusion

Bo Xiao, Junhua Luan, Shijun Zhao, Lijun Zhang, Shiyao Chen, Yilu Zhao, Lianyong Xu, C. T. Liu, Ji-Jung Kai & Tao Yang 

Nat. Commun., 2022, 13, 4870, DOI: 10.1038/s41467-022-32620-6

作者简介

第一作者：肖博，博士，2015年毕业于西北工业大学材料学院，获学士学位，2021年毕业于天津大学材料科学与工程学院（硕博连读），获工学博士学位，2019-2020年获“天津大学首批顶尖博士学位论文国际化培育项目”赴瑞士洛桑联邦理工学院访问交流，2021年赴香港城市大学从事博士后研究工作。致力于先进金属结构材料（耐热钢、高熵合金和高温合金等）的合金设计及其使役过程中微观结构的演化行为。近五年，以第一作者在金属材料领域学术期刊如Nature Communications、Acta Materialia、International Journal of Plasticity、Materials Science and Engineering A等，发表SCI论文10篇。作为主要学术骨干参加600MW示范快堆工程国家核科技重大专项子课题“快堆高温钠管道焊接接头蠕变损伤分析与寿命评估研究”及国家自然科学基金面上项目“630-650℃新型铁素体耐热钢焊接接头寿命优化理论与方法研究”。

通讯作者：杨涛，博士生导师，香港城市大学材料科学与工程系助理教授。国家自然科学基金委优秀青年基金（港澳）和香港研究资助局杰出青年学者获得者，并先后荣获香港高等研究院“明日之星奖” (Rising Star Award)、国际材联IUMRS “青年科学家奖”等。长期专注于先进金属结构材料的合金设计与组织性能调控，聚焦学科内的技术瓶颈问题，在高温金属间化合物、纳米增强高熵合金、增材制造与成型等领域开展了系统深入的研究与探索，先后取得了一系列原创性的研究进展。已在国际顶尖学术期刊上发表学术论文70 余篇，其中近5 年以第一作者/通讯作者身份发表高水平学术论文共计20余 篇，主要包括Science，Materials Today，Acta Materialia，Advanced Materials, Scripta Materialia, International Journal of Plasticity等。