[Science] 卢柯院士，金属中Schwarz晶体结构的无扩散特征

卢柯院士一直深耕于非晶态金属的晶化动力学及其微观机制，专注于金属表面纳米化技术，并取得了一系列颠覆性的成果：2000年，卢柯院士带领团队发现纳米金属铜的一项“神奇”性能：在室温下，纳米金属铜具有超塑延展性而没有加工硬化效应。这一发现帮助卢柯院士在金属材料的世界权威领域打开了一扇窗，研究成果发表在顶级期刊《Science》上。随后，2003年和2004年，《Science》两次刊登卢柯院士课题组的最新研究成果：利用表面纳米化技术将铁表层的晶粒细化到纳米尺度，以及发现纳米孪晶。

此后，卢柯院士课题组在纳米金属稳定性领域的高质量成果频出：2011年发现梯度纳米金属铜兼具高的强度和优异的拉伸塑性，揭示了纳米金属的本征塑性和变形机制；2017年发现了纳米晶强化新机制；2018年发现纳米晶热稳定性的反常晶粒尺寸效应；2020年，首次发现具有10nm极细晶粒的多晶铜的最小界面结构，即另一种亚稳态--Schwarz晶体。

抑制原子在金属中的扩散是一项挑战，特别是在高温下。与更开放结构相关联的界面或晶界(GBs)被认为是原子相对于晶格的快速扩散通道。通过优化其他元素的GB偏析可以减缓沿GB的扩散。然而，随着合金化程度的增加，第二相形成的趋势增加，限制了界面合金化。

沈阳金属所卢柯院士和李秀艳研究员去年发表了Science，报道在纯铜中发现了一种亚稳态结构，具有极细的晶粒：一种Schwarz晶体结构，其界面受到孪晶界的限制。尽管它包含极高密度的界面，这种结构在接近熔点的高温下表现出非常高的热稳定性，以防止晶粒粗化。因此，探索这种稳定的Schwarz晶体结构是否能够抑制合金中原子在高温下的扩散是非常有趣的。

究在刚刚，又来了一篇Science！通讯作者仍是卢柯院士和李秀艳研究员。

Al是一种高扩散率金属，Mg是其最易扩散的合金元素之一，因此铝镁系统以高原子扩散率而闻名。作者观察了具有Schwarz晶体结构的过饱和Al-Mg合金的扩散行为。在不同的温度下，研究了金属间化合物的析出、晶粒粗化和熔化等扩散过程。他们发现Schwarz晶体结构在具有极细晶粒的过饱和铝镁合金中可以有效地抑制原子扩散。

图 1. 制备的 SC-8 样品的结构表征。

通过形成这些稳定的结构，抑制了扩散控制的金属间化合物从纳米晶粒的析出和它们的粗化，直到平衡熔化温度，在平衡熔化温度附近表观跨界扩散率降低了约7个数量级。利用Schwarz晶体结构开发先进的工程合金可能会为高温应用带来有用的性能。

图 4. 退火时的元素分布。

该工作突出了底层界面结构的重要性，这些观察结果对设计高温应用的结构合金具有启示意义。

参考文献：

W. Xu, B. Zhang, X. Y. Li, K. Lu, Suppressing atomic diffusion with the Schwarz crystal structure in supersaturated Al–Mg alloys, Science, 2021, DOI: 10.1126/science.abh0700.