仿调幅分解结构纳米金属的界面调控研究进展

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引入界面来阻碍位错运动是材料强化常用手段。以往研究大多关注材料强度与其特征结构尺寸，亦即界面的“量”之间的关系。但对于界面结构、界面特性等“质”的参量，由于难以定量表征和精确调控，人们对其在材料强化中的作用仍缺乏深入研究。调幅分解可在较大晶粒内形成双连续纳米双相结构：两相晶体结构相同且取向一致，且相界为（半）共格界面。该材料不仅具有优异力学性能，也因其界面易于表征和变化可控而成为界面强化研究的模型材料。但此类研究受制于调幅分解的有限合金体系和较窄成分调制幅度。
       中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心金海军团队将脱合金腐蚀和电沉积相结合，在不发生调幅分解的合金体系中构筑出双连续双相纳米结构，形成一种仿调幅分解结构合金（Spinodoid alloys：PNAS 120 (2023) e2214773120）。除了纯金属两相界面的成分突变，新材料几乎复刻了调幅分解结构的所有结构和界面特性，直至其高强度和变形行为。更重要的是，其错配度和界面结构可大幅度调节，为定量研究界面的“质”在强化中的作用提供了机会。近期，该团队分别对完全互溶和不完全互溶典型合金开展研究，在界面调控及其强化作用上取得进展。

图1. 仿调幅分解结构Cu/Au合金在退火条件下的界面结构演化和强度变化。（a）制备态和（b）退火初期Cu/Au合金样品的EBSD图像。（c）图为（b）图的结构示意图。（d）退火初期新相形核生长前沿的SEM照片；（e）制备态和（f）退火态样品界面的HR-STEM照片；（g）不同结构尺寸Cu/Au合金的显微硬度随退火时间的变化。退火温度为450 ℃。

       研究发现，对于固态完全互溶的Cu/Au和Ag/Au合金，其仿调幅分解纳米双相结构在高温下可转变为单相固溶体。但该反应并非简单的调幅分解逆过程，而是界面互扩散反应与不连续的形核长大过程的竞争。此外，两者在退火初期均出现强度先升后降的暂态强化“异常”现象。分析表明，这和界面扩散层内的固溶强化有关；且不同于传统认识，该扩散层并非作为相而是作为界面参与强化。相关成果以“Thermally induced reaction and transient hardening of miscible spinodoid alloys”为题发表于 Acta Materialia 265 (2024) 119611。博士生关怀为第一作者。
       对于两相在固态部分互溶的仿调幅分解结构Cu/Ag合金，在两个温度间进行循环热处理可改变溶解度，实现界面错配度的可逆变化。研究发现，该材料硬度强度也随之发生可逆变化，且其幅度随特征尺寸增大而减小，并在约500纳米的临界尺寸以上改变方向。这不仅反映了固溶强化与界面强化之间的竞争，也揭示了两个机制所主导的不同结构尺度区间。研究还发现，对于如此简单的界面，现有模型仍不足以定量解释其对位错滑移的阻力，体现了界面强化自身的复杂性及其优化的巨大空间。该工作以“Recoverable tuning of lattice mismatch and strength in ultrastable-nanostructured Cu/Ag spinodoid alloys”为题发表于Acta Materialia 269 (2024) 119827。博士生杨胜男为第一作者。
        需要指出的是，上述材料虽在加热条件下因互扩散而发生溶质再分布甚至两相互溶，但其双连续纳米结构未见明显粗化。这是上述研究得以开展的前提条件。该结构的稳定性一方面得益于类似于受限晶体的双曲界面形态，另一方面源自两相间的低能半共格界面。后者的作用在此处可能更为关键。事实上，Cu/Ag合金经多次热循环后可在晶界附近观察到局部粗化，而Cu/Au合金两相反应的形核长大也始于晶界而非相界。这说明相较于（半）共格相界，晶界及界面间截交线等高能缺陷更易于诱发结构失稳。与传统（半）共格多层纳米复合材料相比，仿调幅分解结构含有更少的晶界、非共格相界等缺陷，因而更为稳定，并在界面调控及相关性能优化和功能化探索等方面展现出独特优势和巨大潜力。 
        该工作得到国家自然科学基金和沈阳材料科学国家研究中心基础前沿及共性关键技术创新项目的资助。
         文章来源：金属所
      金海军，中国科学院金属研究所研究员。1997年毕业于浙江大学材料系，获金属材料及热处理专业学士学位。2004年于中国科学院金属研究所获得材料学博士学位，毕业后留所任助理研究员。2005年至2010年在德国卡尔斯鲁厄研究中心纳米技术研究所从事博士后研究，其间曾获德国洪堡基金会资助。2010年7月入选中科院“百人计划”项目，回到金属所任研究员和创新课题组组长。目前主要研究方向为纳米多孔金属材料的制备和表征、力学性能、以及表面诱发电化学驱动、力性往复调节等功能应用探索。研究成果发表于Science，Acta Mater.，Nano Lett.等期刊。