高温下具有高强度的合金在包括航天业在内的诸多工业领域扮演重要的角色。本研究发现纳米级无序界面可有效克服延展性差和晶粒粗化迅速的问题。界面无序化由多元素共偏析形成。共偏析能在相邻微米级超晶格晶粒间形成独特的纳米层。这些纳米层是该材料可持续延展性的来源。该材料1.6GPa的超高强度，在环境温度下拉伸延展性为25%。
多组元金属间合金（intermetallic alloys）能于高温环境中具有高强度，可是在室温和低温下延展性不佳，因此限制了这种材料在航天及其他工程领域的应用。然而，由香港城市大学（香港城大）科学家领导的最新一项研究发现，于结构有序的多组元金属间合金里，晶界之间具有纳米级的无序层，能有效解决强度与延展性不可兼得的矛盾，更在高温下维持材料的高强度，并展现优异的热稳定性。透过设计类似的纳米层，或能为研制具备更佳合金性能的新型结构材料开辟新方法。
该项研究由香港城大杰出教授兼香港高等研究院（HKIAS）资深院士刘锦川教授领导。研究结果刚在顶尖学术期刊《科学》（Science）上发表，题为〈Ultrahigh-strength and ductile superlattice alloys with nanoscale disordered interfaces〉。
多组元金属间合金的内部结构与金属一样，都是由被称为“晶粒”的晶体组成。这种合金常见的脆性断裂，通常是由于在拉伸变形过程中，沿着晶界发生的断裂所致。而添加硼（boron）这种元素一直是改善脆性的传统方法之一。事实上早在30年前，刘教授已是研究此方法的学者之一。当时他发现将硼添加到二元金属间合金（即由两种元素构成，例如Ni3Al）中，可以增强晶界黏聚力（grain boundary cohesion），从而提高整体的延展性。
意料之外的实验结果
近年，刘教授在制备块体金属间合金的领域取得许多重大进展。金属间合金又可称为超晶格合金（superlattice alloy），具有长程有序的原子密排结构。这种材料具备良好的强度，本来很适合高温下的各种结构应用，但它在室温下则普遍存在严重脆性，并且在高温下晶粒会快速粗化（即晶粒尺寸增大）及材料会变软。因此针对上述弱点，这次刘教授及其团队开发出应用在多组元金属间合金的“界面纳米无序化”新策略，成功令材料于室温下同时展现出高强度兼延展性，并在高温下具有优异的热稳定性。
论文共同第一作者之一、香港城大机械工程学系及HKIAS的博士后研究员杨涛博士介绍说：“我们本来希望透过调控硼的添加份量，以增强晶界黏聚力。而由于测试的金属间合金是由多种元素组成，我们预期即使增加硼的份量，亦无损其超高的强度。”
根据传统智慧，添加微量（0.1至0.5原子百分数，即atomic percent，以at. %标示）的硼已经可以增强晶界黏聚力，从而显著改善拉伸延展性。而当添加大量硼，用这个传统方法则应该不会有效果。
“可是，当我们在这种多组元金属间合金里添加大量的硼之后，居然得出完全不同的结果，我甚至一度怀疑是否实验过程中出了问题。”杨博士忆述。
出乎研究人员意料之外的是，当他们将硼的添加份量提高到1.5 至2.5 at. %左右，这些掺杂了硼的合金变得很强，但同时非常有延展性。实验结果表明，添加了2.5 at. %硼的多组元金属间合金在室温下具有1.6 GPa的超高屈服强度和25%的拉伸延展性。
团队运用不同的透射电子显微镜进行研究和分析，首度发现当硼的浓度为1.5 至2.5 at. %时，合金里排列有序的晶粒之间，形成了一层独特的纳米层：每颗晶粒都被一层约5 nm厚的超薄纳米层包裹；而此纳米层本身的原子结构则是无序（disordered）的。刘教授说：“这种特殊现象是首次被发现和发表的。”
研究团队的拉伸测试显示，此纳米层在晶粒与晶粒之间充当了缓冲区，令晶界能发生塑性变形，从而造就了在超高屈服强度水平下仍有巨大的拉伸延展性。
HAADF-STEM图片显示了于晶界出现的超薄无序纳米层，其厚度约为5 nm。（图片来源: DOI number: 10.1126/science.abb6830）
为何会形成无序纳米层?
研究团队发现，进一步增加硼的份量会显著增强“多元素共同偏析（multi-element co-segregation）”——即是多种元素沿着晶界划分出来。研究团队采用香港和华南地区唯一一部、先进的三维原子探针断层摄影仪（3D APT），观察到纳米层内部含有高浓度的硼、铁和钴原子，镍、铝和钛则在纳米层里大幅减少。这种独特的元素分布不均，导致了纳米层内的纳米级无序化，有效地抑制了沿着晶界发生的断裂情况，因而增强材料的延展性。
3D-APT可以检测出每种元素的分布。无序纳米层（disordered interfacial nanolayer, DINL）中聚集了铁（Fe）、钴（Co）和硼（B）（可见颜色较深），而镍（Ni）、铝（Al）和钛（Ti）的分布相应较少（可见颜色较浅） 。图B和图C也显示相同的结果。（图片来源: DOI number: 10.1126/science.abb6830）
此外，研究团队在评估合金的热反应时发现，即使在1050°C的高温处理120小时后，晶粒尺寸的增大仍然是微不足道。这个结果再次令团队感到惊讶，因为在高温下大部分结构材料的晶粒都会快速增大，令强度随之急降。
开发高温用途结构材料的新途径
研究团队认为，纳米层对于抑制晶粒尺寸的增大，以及在高温下保持其强度至关重要。而无序纳米层的热稳定性，正好令这种合金适合在高温环境下的结构应用。
这些图片表明研究团队实验所测试的合金（NDI-SM）在室温下展示优异的强度-延展性协同作用，并在高温下具备出色的耐热度。（图片来源: DOI number: 10.1126/science.abb6830）
“在合金中发现这种无序纳米层，将对未来研发高强度材料带来影响，特别是这种方法可以应用于制备于高温环境下使用的结构材料，例如航空航天、汽车、核能和化学工程。”刘教授总结说。
刘教授是论文的通讯作者。论文的共同第一作者是来自香港城大机械工程学系的杨涛博士和赵怡潞博士。其他来自香港城大的共同作者包括：材料科学讲座教授兼香港高等研究院执行院长黄志青教授、核子工程讲座教授开执中教授、材料科学及工程学系的李万鹏、以及三维原子探针联合研究实验室的栾军华博士。
研究由香港城大杰出教授兼香港高等研究院资深院士刘锦川教授领导，并使用了图中所示、华南地区唯一一部的三维原子探针断层摄影仪。
这项研究获得香港城大、香港研究资助局与国家自然科学基金委员会等资助进行。
来源：领研网
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