通過調整擴散過程，金屬中的高原子擴散率能夠對其結構和特性進行實質性的調整，但這會導致它們的定制特性在高溫下不穩定。通過制造單晶或重合金化來消除擴散界面有助于解決這個問題，但不會抑制高同源溫度下的原子擴散。
2021年8月6日，中國科學院金屬研究所盧柯及李秀艷共同通訊在Science 在線發表題為“Suppressing atomic diffusion with the Schwarz crystal structure in supersaturated Al–Mg alloys”的研究論文，該研究解決了高溫下金屬中高原子擴散率帶來的不穩定性的技術難題。研究發現，Schwarz晶體可有效抑制具有極細晶粒的過飽和鋁鎂合金中的原子擴散。通過形成這些穩定的結構，納米晶粒的擴散控制金屬間化合物析出及其粗化被抑制到平衡熔化溫度。在平衡熔化溫度附近，其表觀跨界擴散率降低了大約七個數量級！這一發現對開發用于高溫應用的工程合金具有重要意義。
由于原子間鍵合的性質，金屬中的原子擴散率明顯高于陶瓷和具有共價鍵或離子鍵的化合物。該特征通過在合成和后續處理過程中調整擴散控制過程，使各種長度尺度的結構具有顯著的可調節性，從而在金屬材料中產生廣泛的性質和性能。例如，Al 合金可以通過在室溫附近時效而沉淀出金屬間相來硬化。通過操縱熱機械處理中的擴散相變，可以廣泛地調整鋼的強度和延展性。然而，高原子擴散率使金屬的結構和定制特性在暴露于高溫或機械負載時變得不穩定 。這種不穩定性成為金屬材料發展的主要瓶頸，極大地限制了它們在高溫下的技術應用。
阻止原子在金屬中的擴散具有挑戰性，尤其是在高溫下。金屬與外來元素的重合金化受到抑制晶格擴散的限制，正如高熵合金中擴散率的微小變化所說明的那樣，其中幾種不同的金屬元素在晶格內混合在一起。與更開放結構相關的界面或晶界 (GB) 被認為是原子相對于晶格的快速擴散通道。通過優化其他元素的 GB 分離，可以減慢沿 GB 的擴散。然而，GB 合金化受到形成具有更高合金化程度的第二相的趨勢增加的限制。
通過形成單晶來消除擴散界面是降低擴散率的標準策略，例如，在制造用于渦輪發動機高溫應用的超合金單晶葉片時所采用的方法。盡管如此，即使在單晶金屬中，在高同系溫度下也無法抑制高擴散率。已知替代擴散和自擴散受空位擴散機制控制。晶格中的平衡空位濃度在更高的同源溫度下顯著升高，不可避免地提高了原子擴散率。
該研究解決了高溫下金屬中高原子擴散率帶來的不穩定性的技術難題。研究發現，Schwarz晶體可有效抑制具有極細晶粒的過飽和鋁鎂合金中的原子擴散。通過形成這些穩定的結構，納米晶粒的擴散控制金屬間化合物析出及其粗化被抑制到平衡熔化溫度。在平衡熔化溫度附近，其表觀跨界擴散率降低了大約七個數量級！這一發現對開發用于高溫應用的工程合金具有重要意義。
參考消息：
https://science.sciencemag.org/content/373/6555/683
