在高温下具有高强度的合金对于包括航空航天在内的许多重要行业都至关重要。具有有序的超晶格点阵的合金受到了越来越多的关注，但在高温下通常容易发生晶粒的快速长大和粗化，随之而来的是材料屈服强度的显著降低，这也极大地限制了他们在高温条件下的大规模应用。

近日，来自于香港城市大学刘锦川院士（通讯作者）发现纳米级无序界面可以有效地克服这些问题。界面无序是由多元素共偏析驱动的，该元素在相邻的微米级超晶格晶粒之间形成了独特的纳米层。该纳米层充当可持续的延展性来源，通过增强位错活动性来防止脆性晶间破裂。同时，在室温条件下，该新型超晶格材料拥有高达1.6GPa的超高断裂强度，在环境温度下具有25%的拉伸延伸率，且无任何晶间脆化现象发生。此外，在高温下也能实现可忽略的晶粒粗化，从而提高了高温稳定行。根据本文设计相似的纳米层可以为进一步优化合金性能开辟道路。相关论文以题“Ultrahigh-strength and ductile superlattice alloys with nanoscale disordered interfaces”发表在Science上。

论文链接 https://science.sciencemag.org/content/369/6502/427

一种具有原子紧密堆积有序结构的合金构成了一类结构材料，它弥补了普通金属与硬质陶瓷之间的差距，具有潜在的新型机械特性。这些长程有序超晶格合金具有很强的化学键合性和较低的原子迁移率，这使其对高温结构应用非常有吸引力，可在航空航天，汽车，燃气轮机发动机等广泛的工程领域中实现更高的能源效率。自1950年代以来，在合金的研究和开发方面投入了大量精力。尽管已经取得了许多进步，但是这些合金的广泛应用仍然难以捉摸，这在很大程度上受到环境温度下强度和延展性之间不可调节的冲突的限制。

随着合金的晶体结构变得高度有序，在环境温度下容易发生灾难性的脆性破坏，破坏了合金的最理想性能。因此，大多数具有超高强度的常规有序合金在拉伸变形过程中易脆，这严重限制了它们在结构应用中的潜在应用。然而，它们的屈服强度在环境温度下仍然非常有限。此外，在高温下缺乏足够的热稳定性是它们实际使用的另一个问题，多晶形式的合金通常在高温下不稳定。热驱动的结构不稳定性，例如快速或异常的晶粒粗化以及相关的软化行为，严重限制了它们在高温下的使用。因此，如何设计一种新型金属间化合物合金同时兼具高强度、高塑性、高热稳定性成为了目前合金设计中最为严峻的瓶颈问题之一。

在本文中，作者将重点放在纳米级界面无序上，脱离了传统的高温合金设计策略。通过协同调节块状有序合金的结构和化学特征，以达到优异的机械性能和出色的热稳定性，为微观结构的调整提供了不同的方向。基于可控地结合多种元素，通过电弧熔化和热机械加工合成了一种Ni43.9Co22.4Fe8.8Al10.7Ti11.7B2.5。开发的超晶格材料（SMs）具有纳米级无序界面（NDI-SMs），具有多晶形态（平均晶粒尺寸为11.0±7.5μm），且具有由微米级有序超晶格晶粒（OSG）封装的非常规结构特征和无序界面纳米层（DINL）。使用透射电子显微镜（TEM）鉴定了晶粒内部的L12型有序结构，且使用HAADF-STEM分析以探测详细的原子结构和化学性质。这种独特的界面无序超晶格结构与先前报道的常规有序合金有很大不同。

图1.界面纳米化无序的超晶界结构

图2.超晶格合金（NDI-SMs）的三维成分分布和纳米级界面共偏聚

图3.NDI-SMs的机械性能和热稳定性

图4.塑性变形的微观机制和界面的延展性

总之，本文的超晶格合金的复合结构，尤其是多元素共偏析引起的界面无序，可用于设计具有增强的晶界稳定性和抗粗化性的高强度超细晶粒或纳米晶粒材料。同时该方法应适用于许多其他金属系统，尤其是组成复杂的有序合金，这可以避免在使用高温材料的某些缺点。此外，这些超晶格材料将在航空航天，汽车，核能，化学工程和其他应用中引起广泛的关注。