16岁上大学，38岁当选院士，卢柯今日再发《Science》
通过调整扩散过程，金属中的高原子扩散率能够对其结构和特性进行实质性的调整，但这会导致它们的定制特性在高温下不稳定。通过制造单晶或重合金化来消除扩散界面有助于解决这个问题，但不会抑制高同源温度下的原子扩散。
2021年8月6日，中国科学院金属研究所卢柯及李秀艳共同通讯在Science 在线发表题为“Suppressing atomic diffusion with the Schwarz crystal structure in supersaturated Al–Mg alloys”的研究论文，该研究解决了高温下金属中高原子扩散率带来的不稳定性的技术难题。研究发现，Schwarz晶体可有效抑制具有极细晶粒的过饱和铝镁合金中的原子扩散。通过形成这些稳定的结构，纳米晶粒的扩散控制金属间化合物析出及其粗化被抑制到平衡熔化温度。在平衡熔化温度附近，其表观跨界扩散率降低了大约七个数量级！这一发现对开发用于高温应用的工程合金具有重要意义。
由于原子间键合的性质，金属中的原子扩散率明显高于陶瓷和具有共价键或离子键的化合物。该特征通过在合成和后续处理过程中调整扩散控制过程，使各种长度尺度的结构具有显著的可调节性，从而在金属材料中产生广泛的性质和性能。例如，Al 合金可以通过在室温附近时效而沉淀出金属间相来硬化。通过操纵热机械处理中的扩散相变，可以广泛地调整钢的强度和延展性。然而，高原子扩散率使金属的结构和定制特性在暴露于高温或机械负载时变得不稳定 。这种不稳定性成为金属材料发展的主要瓶颈，极大地限制了它们在高温下的技术应用。
阻止原子在金属中的扩散具有挑战性，尤其是在高温下。金属与外来元素的重合金化受到抑制晶格扩散的限制，正如高熵合金中扩散率的微小变化所说明的那样，其中几种不同的金属元素在晶格内混合在一起。与更开放结构相关的界面或晶界 (GB) 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 分离，可以减慢沿 GB 的扩散。然而，GB 合金化受到形成具有更高合金化程度的第二相的趋势增加的限制。
通过形成单晶来消除扩散界面是降低扩散率的标准策略，例如，在制造用于涡轮发动机高温应用的超合金单晶叶片时所采用的方法。尽管如此，即使在单晶金属中，在高同系温度下也无法抑制高扩散率。已知替代扩散和自扩散受空位扩散机制控制。晶格中的平衡空位浓度在更高的同源温度下显著升高，不可避免地提高了原子扩散率。
该研究解决了高温下金属中高原子扩散率带来的不稳定性的技术难题。研究发现，Schwarz晶体可有效抑制具有极细晶粒的过饱和铝镁合金中的原子扩散。通过形成这些稳定的结构，纳米晶粒的扩散控制金属间化合物析出及其粗化被抑制到平衡熔化温度。在平衡熔化温度附近，其表观跨界扩散率降低了大约七个数量级！这一发现对开发用于高温应用的工程合金具有重要意义。
参考消息：
https://science.sciencemag.org/content/373/6555/683
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