Science：界面位错还能这么用？大幅度提升合金材料性能

合金材料

2020-08-05

第一作者：杨涛（T. Yang）, 赵怡潞（Y. L. Zhao）（共同第一作者）

通讯作者：刘锦川（C. T. Liu）

通讯单位：香港城市大学

研究亮点：

1．硼掺杂Ni-Co-Fe-Ti合金，形成~5 nm位错界面纳米层，较大程度提高了合金材料强度和热稳定性。

2．位错界面纳米层对高强度、高稳定性的机理研究。

研究背景

喷气涡轮叶片以及其他在高温条件中具有超高强度的材料通常是由特殊的合金制作的，并且为了消除其中的缺陷通常需要价格高昂的过程制备单晶材料。大多数传统的高强度合金材料容易在拉伸变形后发生脆裂，严重阻碍了其应用。具有一定延展性的材料在少数合金（比如Ni₃Al，FeAl，NiAl）中存在，但是其延展性只有在室温附近体现，并且热稳定性较差（受热后，容易发生晶粒生长和软化现象），因此在大量工程领域中难以应用。

拟解决或者拟探索的关键问题

开发具有高强度、高热稳定性的合金材料。

成果简介

有鉴于此，香港城市大学刘锦川院士团队发现在Ni-Co-Fe-Al-Ti合金材料的合成过程中加入少量硼元素实现超高强度性能，材料的组成为Ni_43.9Co_22.4Fe_8.8Al_10.7Ti_11.7B_2.5 。合金中纳米尺度晶界间的错配界面改善了材料的延展性同时抑制了高温中晶粒生长，界面上的位错在相邻的微米晶粒之间的晶界上形成结构特殊的纳米位错层DINL（disordered interfacial nanolayer），这个纳米层结构使材料展现较好的延展性，通过加强错位迁移阻碍晶间断裂，实现了1.6 GPa超高的强度，温和条件中的拉伸韧性达到25 %。在较高温度中，仍具有优异的抗软化能力，并且未发现明显的晶粒生长。和以往的合金材料相比，实现了大幅度性能提升。

要点1：纳米位错层结构表征

表征结果显示，纳米位错层厚度为~5 nm，是面心立方（fcc）固溶体结构，位错层在材料中的占比为~0.13 %。

图1. TEM结构表征。

通过三维原子探针层析成像3D-APT（three-dimensional atom probe tomography）对纳米位错层结构组成进行分析，并与规则晶格中的组成进行比较（需要说明该种测试手段有效的提升了对硼等轻元素分析的准确度）。作者发现规则晶格中的组成为(Ni,Co,Fe)₃(Al,Ti,Fe)同时少量的硼占据了间隙位点；在纳米位错层中，Ni/Al/Ti元素含量降低，Co/Fe元素富集，B同样发生富集。总之，在纳米位错层中发生多种元素的协同分离：其中Fe的含量由8.92±0.32 at %提高为20.04±0.41 at %，Co的含量由22.36±0.47 at %提高为30.69±0.47 at %，B的含量由1.15±0.12提高为2.11±0.15 at %（图2（C））。

 图2. 位错界面纳米层元素表征。

要点2：性能测试

 图3. 合金强度、热稳定性表征测试。

材料性能。这种含有界面位错纳米层的合金材料展现了超高的强度（σ_y）（~1040±61 MPa），是Ni3Al材料的~2.6倍（~320 MPa）；拉伸延伸率达到25±1 %，这个性能明显由于对比样品；抗拉强度（σ_uts）达到~1611±2 MPa。

作者在断裂面上发现一些凹陷结构，说明材料的本征韧性、塑性变形性。作者将材料的性能与其他合金材料进行比较，结果显示该材料兼具高强度和高延展性（图3(B））。作者对材料在不同温度中（20~800 ℃）的强度变化情况进行研究，结果显示材料在25 ℃中的强度为417±8 HV，在800 ℃中的强度仍为392±3 HV，在温度较高时未发现材料软化现象。在1050 ℃中连续加热120 h后，作者未发现明显的晶粒生长，显示了高温中的热稳定性，有希望用于高温场景中。

要点3：位错纳米层结构对抑制晶间断裂的机理研究

作者发现掺杂硼（1.5~2.5 at %）导致Fe、Co在界面上的富集，并形成界面纳米位错层，这种纳米位错层为提高晶界增韧提供了新方法。

通过对拉伸试验后样品晶界微结构的变化进行表征，作者通过TEM发现在位错纳米层结构附近产生大量的位错，从而避免了沿晶断裂现象；通过电子背散射衍射（EBSD）对断裂样品表征，发现晶粒中发生取向不良现象，说明在拉伸变形过程中发生显著的位错。总之，通过引入这种缓冲韧性纳米层，相邻晶粒之间的塑性变形兼容性得以提高，晶界附近的微裂纹得以显著抑制。

此外作者认为这种位错界面纳米层从动力学/热力学上起到了抑制热处理过程中的晶粒生长。由于相邻晶粒之间被位错界面纳米层相隔，导致相邻晶粒之间元素热扩散得以抑制。并且位错界面上具有多种元素的富集现象，因此通过溶质拖曳效应增强了晶界附近的稳定性，扩散动力学得以抑制。

图4. 塑性变形微观机理。

小结

综上，在Ni-Co-Fe-Al-Ti合金材料的合成过程中加入少量硼元素能够实现超高强度性能，同时表明这种位错纳米层结构可为合金性能的进一步优化开辟一条途径。

参考文献

T. Yang, et al. Ultrahigh-strength and ductile superlattice alloys with nanoscale disordered interfaces, Science 2020, 369, 427-432

DOI：10.1126/science.abb6830

https://science.sciencemag.org/content/369/6502/427

作者简介

刘锦川（C.T.Liu），香港城市大学教授，美国工程院院士，中国工程院外籍院士，中南大学粉末冶金研究院名誉教授。1964、1967年先后在美国布朗大学获得材料与工程硕士、博士学位。之后在美国橡树岭国家实验室工作，先后担任金属与陶瓷部主任、高级合作研究员、资深材料学专家。

他致力于研究先进材料：金属、合金、金属间化合物的物理冶金和力学行为；高温结构材料、贵金属、形状记忆合金、储氢材料的合金设计；金属基复合材料；环境对金属与合金材料的延性和断裂行为影响；先进材料加工等。