第一作者：楊濤（T. Yang）, 趙怡潞（Y. L. Zhao）（共同第一作者）
通訊作者：劉錦川（C. T. Liu）
通訊單位：香港城市大學
研究亮點：
1．硼摻雜Ni-Co-Fe-Ti合金，形成~5 nm位錯界面納米層，較大程度提高了合金材料強度和熱穩定性。
2．位錯界面納米層對高強度、高穩定性的機理研究。
研究背景
噴氣渦輪葉片以及其他在高溫條件中具有超高強度的材料通常是由特殊的合金制作的，并且為了消除其中的缺陷通常需要價格高昂的過程制備單晶材料。大多數傳統的高強度合金材料容易在拉伸變形后發生脆裂，嚴重阻礙了其應用。具有一定延展性的材料在少數合金（比如Ni3Al，FeAl，NiAl）中存在，但是其延展性只有在室溫附近體現，并且熱穩定性較差（受熱后，容易發生晶粒生長和軟化現象），因此在大量工程領域中難以應用。
擬解決或者擬探索的關鍵問題
開發具有高強度、高熱穩定性的合金材料。
成果簡介
有鑒于此，香港城市大學劉錦川院士團隊發現在Ni-Co-Fe-Al-Ti合金材料的合成過程中加入少量硼元素實現超高強度性能，材料的組成為Ni43.9Co22.4Fe8.8Al10.7Ti11.7B2.5 。合金中納米尺度晶界間的錯配界面改善了材料的延展性同時抑制了高溫中晶粒生長，界面上的位錯在相鄰的微米晶粒之間的晶界上形成結構特殊的納米位錯層DINL（disordered interfacial nanolayer），這個納米層結構使材料展現較好的延展性，通過加強錯位遷移阻礙晶間斷裂，實現了1.6 GPa超高的強度，溫和條件中的拉伸韌性達到25 %。在較高溫度中，仍具有優異的抗軟化能力，并且未發現明顯的晶粒生長。和以往的合金材料相比，實現了大幅度性能提升。
要點1：納米位錯層結構表征
表征結果顯示，納米位錯層厚度為~5 nm，是面心立方（fcc）固溶體結構，位錯層在材料中的占比為~0.13 %。
圖1. TEM結構表征。
通過三維原子探針層析成像3D-APT（three-dimensional atom probe tomography）對納米位錯層結構組成進行分析，并與規則晶格中的組成進行比較（需要說明該種測試手段有效的提升了對硼等輕元素分析的準確度）。作者發現規則晶格中的組成為(Ni,Co,Fe)3(Al,Ti,Fe)同時少量的硼占據了間隙位點；在納米位錯層中，Ni/Al/Ti元素含量降低，Co/Fe元素富集，B同樣發生富集。總之，在納米位錯層中發生多種元素的協同分離：其中Fe的含量由8.92±0.32 at %提高為20.04±0.41 at %，Co的含量由22.36±0.47 at %提高為30.69±0.47 at %，B的含量由1.15±0.12提高為2.11±0.15 at %（圖2（C））。
圖2. 位錯界面納米層元素表征。
要點2：性能測試
圖3. 合金強度、熱穩定性表征測試。
材料性能。這種含有界面位錯納米層的合金材料展現了超高的強度（σy）（~1040±61 MPa），是Ni3Al材料的~2.6倍（~320 MPa）；拉伸延伸率達到25±1 %，這個性能明顯由于對比樣品；抗拉強度（σuts）達到~1611±2 MPa。
作者在斷裂面上發現一些凹陷結構，說明材料的本征韌性、塑性變形性。作者將材料的性能與其他合金材料進行比較，結果顯示該材料兼具高強度和高延展性（圖3(B））。作者對材料在不同溫度中（20~800 ℃）的強度變化情況進行研究，結果顯示材料在25 ℃中的強度為417±8 HV，在800 ℃中的強度仍為392±3 HV，在溫度較高時未發現材料軟化現象。在1050 ℃中連續加熱120 h后，作者未發現明顯的晶粒生長，顯示了高溫中的熱穩定性，有希望用于高溫場景中。
要點3：位錯納米層結構對抑制晶間斷裂的機理研究
作者發現摻雜硼（1.5~2.5 at %）導致Fe、Co在界面上的富集，并形成界面納米位錯層，這種納米位錯層為提高晶界增韌提供了新方法。
通過對拉伸試驗后樣品晶界微結構的變化進行表征，作者通過TEM發現在位錯納米層結構附近產生大量的位錯，從而避免了沿晶斷裂現象；通過電子背散射衍射（EBSD）對斷裂樣品表征，發現晶粒中發生取向不良現象，說明在拉伸變形過程中發生顯著的位錯。總之，通過引入這種緩沖韌性納米層，相鄰晶粒之間的塑性變形兼容性得以提高，晶界附近的微裂紋得以顯著抑制。
此外作者認為這種位錯界面納米層從動力學/熱力學上起到了抑制熱處理過程中的晶粒生長。由于相鄰晶粒之間被位錯界面納米層相隔，導致相鄰晶粒之間元素熱擴散得以抑制。并且位錯界面上具有多種元素的富集現象，因此通過溶質拖曳效應增強了晶界附近的穩定性，擴散動力學得以抑制。
圖4. 塑性變形微觀機理。
小結
綜上，在Ni-Co-Fe-Al-Ti合金材料的合成過程中加入少量硼元素能夠實現超高強度性能，同時表明這種位錯納米層結構可為合金性能的進一步優化開辟一條途徑。
參考文獻
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
作者簡介
劉錦川（C.T.Liu），香港城市大學教授，美國工程院院士，中國工程院外籍院士，中南大學粉末冶金研究院名譽教授。1964、1967年先后在美國布朗大學獲得材料與工程碩士、博士學位。之后在美國橡樹嶺國家實驗室工作，先后擔任金屬與陶瓷部主任、高級合作研究員、資深材料學專家。
他致力于研究先進材料：金屬、合金、金屬間化合物的物理冶金和力學行為；高溫結構材料、貴金屬、形狀記憶合金、儲氫材料的合金設計；金屬基復合材料；環境對金屬與合金材料的延性和斷裂行為影響；先進材料加工等。
