高性能結構材料的設計一直致力于追求卓越的力學強度、延展性和熱穩定性，然而這些性能通常難以兼得。雖然晶體-非晶復合合金通常具備比非晶態合金更高的延展性，但是晶體-非晶界面容易促進異質形核，不利于晶體-非晶復合合金的熱穩定性。
針對以上難點，來自德國馬克斯普朗克鋼鐵研究所（馬普所）等單位的研究人員通過熱力學理論指導，提出了一種全新的合金設計理念，成功開發出兼具高熱穩定性、超強以及可塑性的晶體-非晶納米復合合金。這一合金設計理念模仿了自然界共生系統的穩定機制，因此這種合金被稱之為“共生合金”。相關工作近期發表于材料研究領域頂級期刊Materials Today（影響因子：31.041）。
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https://doi.org/10.1016/j.mattod.2021.10.025
通過設計制備Cr-Co-Ni（晶體相，18nm厚）/Ti-Zr-Nb-Hf-Cr-Co-Ni（非晶相，12nm厚）納米片層結構合金，實現了這種共生合金設計理念。研究發現，加熱或力學加載可促進Ni、Co從Cr-Co-Ni晶體相向Ti-Zr-Nb-Hf-Cr-Co-Ni非晶相的遷移。這一行為可以動態提升非晶相的負混合焓，從而動態穩定其非晶結構。因此，該共生合金的晶化溫度（TX>973K）比初始TiZrNbHf基非晶相提高了200K。另外，加熱或力學加載可促進Cr-Co-Ni晶體相發生HCP到FCC相變，使得其具備優異的延展性。這一共生合金在室溫下具備3.6GPa的超高壓縮屈服強度以及15%的均勻塑性應變，這一綜合力學性能優于傳統的非晶合金以及納米片層合金。這種非晶相和晶態相之間元素的交互作用開啟了一種全新的共生策略，實現了兼具高熱穩定性與超強高韌的合金材料。
文章共同第一作者為德國馬克斯普朗克鋼鐵研究所（馬普所）的吳戈和劉暢博士（吳戈教授現已全職加入西安交通大學），共同通訊作者為德國馬普所/法國CNRS的Matteo Ghidelli博士、南方科技大學的逯文君助理教授、德國馬普所的Dierk Raabe院士、中南大學的李志明教授。其他作者還包括德國馬普所的Andrea Brognara，香港城市大學的鮑巖博士和劉思達博士，蘇州大學的吳小香教授，安徽工業大學的夏文真教授，德國馬普所的趙歡博士、饒婧博士生、Dirk Ponge博士、Vivek Devulapalli博士生與Gerhard Dehm教授。
圖1. 晶體-非晶共生合金的微觀結構和成分。（a）典型高角環形暗場掃描透射電子顯微圖（HAADF-STEM）。插圖中是針對截面試樣的典型選區電子衍射（SAED）花樣，顯示了一個非晶環和具有{00 0 2}強織構的衍射花樣。（b-c）截面高分辨掃描透射電子顯微圖（HR-STEM），分別顯示了<11 -2 0>晶帶軸下的HCP結構（晶態CrCoNi相）和非晶相的類迷宮花樣。插圖是相應的快速傅里葉變換圖（FFT），顯示了HCP相的{00 0 2}晶面是垂直于合金生長方向的，非晶相呈現出典型的漫射環特征。（d）晶體-非晶共生合金的HAADF-STEM以及能量散射譜圖（EDS）。（e）原子探針層析（APT）數據的三維重構圖，顯示了納米片層結構。（f）從APT數據中截取1nm厚薄片，并作出關于Cr、Co、Ni的2D濃度分布圖。（g）在（f）圖中箭頭所示區域的1D成分圖。
圖2. 晶體-非晶共生合金的熱穩定性。分別于（a）室溫下，（b）623K退火600s，（c）973K退火3600s的原位加熱實驗下的HAADF-STEM圖。在（a）中的紅色和綠色箭頭分別指向非晶層和晶體層。（d）在不同退火溫度保持1小時后共生合金的硬度變化。（e）試樣于973K非原位退火1小時后的球差校正HRTEM圖，顯示了晶體-非晶納米復合結構得以維持。右上角和右下角的插圖為虛線綠框和虛線黃框區域的FFT圖，分別顯示了HCP與FCC結構。在靠近晶體-非晶界面的非晶層中可以發現有一些很小的納米晶（箭頭所示），這一現象可能是退火過程中的不完全非晶化造成的。原因是在于靠近晶體-非晶界面處的非晶層含有較少的Ti、Zr、Nb和Hf元素，導致了玻璃形成能力（GFA）的下降。（f）623K退火1小時試樣的APT數據的三維重構。（g）在（f）圖中箭頭所示區域的623K和973K退火1小時試樣的1D成分圖。
圖3. 晶體-非晶共生合金在室溫下的原位TEM拉伸變形行為。晶體-非晶共生合金在（a）拉伸前以及（b）拉伸過程中的明場TEM圖。（c）在圖（b）中放大區域的環形暗場（ADF）STEM圖，顯示了在拉伸過程中裂紋的產生。（d1-d3）在拉伸過程中裂紋前端晶體層的HRTEM原位視頻截圖，顯示了其寬度從18nm減小至14nm。（e1-e3）在（d1-d3）中方框區域的放大圖。（f1-f3）在（e1-e3）中方框區域的晶格解析結構放大圖，顯示在拉伸過程中同一區域發生了由HCP向FCC的相變。（g1-g3）晶體相和非晶相在斷裂過程中的HRTEM原位視頻截圖。（h1-h3）與（i1-i3）在（g1-g3）中方框區域的放大圖，顯示了斷裂過程中晶體相和非晶相都發生了頸縮現象。
圖4. 晶體-非晶共生合金的力學性能。（a）微米柱試樣的壓縮工程應力-應變曲線。（b）合金的歸一化剪切屈服強度vs.均勻變形數據圖，顯示共生合金相比傳統非晶合金與納米片層合金具有更優異的綜合力學性能。（c）共生機制示意圖。在初始合金中，晶體相和非晶相分別具備HCP（BCBC…原子堆垛次序）與非晶結構。加熱過程中，化學元素由晶體相向非晶相動態遷移（左圖箭頭所示），動態增強了非晶相的負混合焓，從而穩定了共生合金整體的晶體-非晶結構。另外，在加熱過程中，化學元素遷移改變了晶體相的層錯能，使得晶體相的一部分HCP結構轉變為FCC結構（ACBA…原子堆垛次序）。（d）該類新型共生合金體現出三方面的效應：化學元素由晶體相向非晶相發生動態遷移（動力學）；晶體相較低的層錯能與非晶相較大的負混合焓（熱力學）；晶體-非晶結構具備優異的熱穩定性、晶體相由HCP向FCC轉變帶來更高的塑性變形能力、非晶相的均勻塑性流變（性能）。
*感謝論文作者團隊對本文的大力支持。
