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金属间合金在高温环境中具有较高的强度，但它们在常温和低温下的延展性一般较差，因此限制了它们在航空航天和其他工程领域的应用。香港城市大学(CityU)科学家领导的研究团队最近发现了有序金属间合金中晶界处的无序纳米层。该纳米层不仅能有效解决强度与延展性之间不可调和的矛盾，还能在高温下保持合金的强度与优良的热稳定性。设计类似的纳米层，可能为设计具有最佳合金性能的新型结构材料开辟一条途径。

这项研究由特聘教授、香港高等研究院高级研究员LiuChain-tsuan教授领导。研究结果发表在著名科学杂志《Science》上，题为《Ultrahigh-strengthandductilesuperlatticealloyswithnanoscaledisorderedinterfaces》。

就像金属一样，金属间合金的内部结构是由被称为晶粒的单个结晶区组成的。金属间合金通常的脆性一般是由于在拉伸变形时沿其晶界产生裂纹。在金属间合金中加入硼元素，是克服脆性的传统方法之一。Liu教授其实是30年前研究这种方法的人之一。当时，他发现在二元金属间合金（构成两种元素，如Ni3Al）中加入硼元素，可以增强晶界内聚力，从而提高其整体延展性。

近年来，刘教授在开发大宗金属间合金（金属间合金又称超晶格合金，以长程、原子紧密堆积的有序结构构建）方面取得了许多重大进展。这些材料具有良好的强度，在高温结构应用中具有很强的吸引力，但在常温下普遍存在严重的脆性，以及高温下晶粒快速粗化（即晶粒尺寸增长）和软化的问题。所以这次Liu教授和他的团队在多元素金属间合金中开发出了新型的界面纳米级无序化策略，使得多元素金属间合金在常温下具有高强度、大延展性，在高温下也具有优异的热稳定性。

我们最初想做的是通过优化硼的用量来增强晶界内聚力。城大机械工程系（MNE）和国际科学院博士后研究员YangTao博士说，他也是该论文的共同第一作者之一。我们预计，当我们增加硼的含量时，由于其多元素成分，合金将保持超高强度。

根据之前的研究结果，添加微量(0.1至0.5at.%)的硼可以通过增加晶界内聚力大幅提高其拉伸延展性。当添加过量的硼时，这种传统的方法将不起作用。但当我们在目前的多组分金属间合金中加入过量的硼时，我们得到的结果却完全不同。我一度怀疑是不是实验过程中出了什么问题。Yang博士回忆说。

出乎团队意料的是，当把硼增加到1.5-2.5at.%时，这些掺硼的合金变得非常坚固，但延展性却非常好。实验结果显示，含硼量为2at。%的硼具有1.6千兆帕的超高屈服强度，在环境温度下的拉伸延展性为25%。

通过不同的透射电子显微镜研究，研究小组发现，当硼的浓度在1.5-2.5at.%之间时，相邻的有序晶粒之间形成了一个独特的纳米层。每一个晶粒都被囊括在这个约5nm厚的超薄纳米层内。而纳米层本身具有无序的原子结构。这种特殊的现象以前从未被发现和报道过。Liu教授说。

他们的拉伸试验表明，纳米层作为相邻晶粒之间的缓冲区，使晶粒边界发生塑性变形，从而在超高屈服强度水平下获得大的拉伸延展性。

研究团队发现，硼含量的进一步增加，大大增强了多元素共析，即多种元素沿晶界的分区。他们利用三维原子探针断层扫描技术（3-DAPT），观察到纳米层内的硼、铁和钴原子浓度很高。相比之下，镍、铝和钛在那里基本被消耗殆尽。因此，这种独特的元素分区，诱发了纳米层内的纳米级无序化，有效地抑制了沿晶界的断裂，提高了延展性。

此外，在评估合金的热响应时，研究团队发现，即使在℃的高温下退火小时后，晶粒尺寸的增加也可以忽略不计。这让研究团队再次感到惊讶，因为大多数结构材料在高温下通常都会出现晶粒尺寸快速增长的现象，导致强度迅速下降。

他们认为，纳米层对于抑制晶粒尺寸的增长和保持高温下的强度具有举足轻重的作用。而无序纳米层的热稳定性将使这类合金适合高温结构应用。

这种无序纳米层在合金中的发现，将对未来高强度材料的发展产生影响。特别是，这种方法可以应用于高温环境下的结构材料，如航空航天、汽车、核电和化学工程等。Liu教授说。