超晶格合金具有原子紧密排列的有序结构。强大的化学结合力和低原子迁移率使其在航 空航天、汽车、燃气涡轮发动机和许多其他 行业等一系列工程领域的高温结构应用非常 有吸引力。然而，高度有序的晶体结构使它 们容易变脆。刘教授领导的研究团队发现了 一种新方法，即通过制造具有无序界面纳米 层的多组分超晶格合金来解决这一难题。该 研究结果已发表在著名的科学杂志《科学》 上，标题为“具有纳米级无序界面的超高强 度和延展性超晶格合金”[1]。

根据传统观点，添加痕量（0.1 至 0.5 原子 百分比）的硼可通过增加晶界聚合力来显著 提高拉伸延展性，但当添加了超过 0.5 原子 百分比的硼时，这种传统方法效果不佳。该 团队提出了在多组分合金中添加过量硼的想 法，实验结果令人感到惊讶。通过将硼浓度 增加到 2.5 原子百分比时，合金沿晶界形成 超薄无序界面纳米层。超薄层包含多种具有 无序原子结构的元素，可防止脆性沿晶断裂。超晶格合金的一般结构由称为“晶粒”的单 个结晶区组成，这些合金的脆性通常归因于 在拉伸变形过程中沿晶界开裂。这种具有无 序界面纳米层的超晶格材料具有 1.6 吉帕的 超高强度，室温下的拉伸延展性为 25%，这 比预期的要高得多。

此外，该团队还发现，即使在 1050°C 的温 度下加热 120 小时后，晶粒尺寸的增加也可 以忽略不计。大多数传统结构材料由于高温 下的快速晶粒生长而遭受热驱动带来的结构 不稳定性。这会使得这些材料的强度迅速下 降，严重限制了它们的应用。纳米层对于抑 制晶粒尺寸的增长和在高温下保持其强度至 关重要，这将使这种合金非常适用于高温结 构应用。

这种沿合金晶界的无序纳米层的发现将对未 来高强度材料的发展产生积极影响，并为进 一步优化合金性能开辟一条新途径。

晶界处的超薄无序层厚度约为 5 纳米 [1]。

参考文献

1. Yang, T, Zhao, YL, Li, WP, Yu, CY, Luan, JH, Lin, DY, Fan, L, Jiao, ZB, Liu, WH, Liu, XJ, Kai, JJ, Huang, JC & Liu, CT 2020, 'Ultrahigh-strength and ductile superlattice alloys with nanoscale disordered interfaces', Science (New York, N.Y.), vol. 369, no. 6502, pp. 427-432.

2. Yang, T, Zhao, YL, Tong, Y, Jiao, ZB, Wei, J, Cai, JX, Han, XD, Chen, D, Hu, A, Kai, JJ, Lu, K, Liu, Y & Liu, CT 2018, 'Multicomponent intermetallic nanoparticles and superb mechanical behaviors of complex alloys', Science (New York, N.Y.), vol. 362, no. 6417, pp. 933-937.

3. Zhang, T, Huang, Z, Yang, T, Kong, H, Luan, J, Wang, A, Wang, D, Kuo, W, Wang, Y & Liu, C-T 2021, 'In situ design of advanced titanium alloy with concentration modulations by additive manufacturing', Science, vol. 374, no. 6566, pp. 478-482.