超晶格合金具有原子緊密排列的有序結構。 強大的化學結合力和低原子遷移率使其在航 空航天、汽車、燃氣渦輪發動機和許多其他 行業等一系列工程領域的高溫結構應用非常 有吸引力。然而，高度有序的晶體結構使它 們容易變脆。劉教授領導的研究團隊發現了 一種新方法，即通過製造具有無序界面納米 層的多組分超晶格合金來解決這一難題。該 研究結果已發表在著名的科學雜誌《科學》 上，標題為“具有納米級無序界面的超高強 度和延展性超晶格合金”[1]。

根據傳統觀點，添加痕量（0.1 至 0.5 原子 百分比）的硼可通過增加晶界聚合力來顯著 提高拉伸延展性，但當添加了超過 0.5 原子 百分比的硼時，這種傳統方法效果不佳。該 團隊提出了在多組分合金中添加過量硼的想 法，實驗結果令人感到驚訝。通過將硼濃度 增加到 2.5 原子百分比時，合金沿晶界形成 超薄無序界面納米層。超薄層包含多種具有 無序原子結構的元素，可防止脆性沿晶斷裂。 超晶格合金的一般結構由稱為“晶粒”的單 個結晶區組成，這些合金的脆性通常歸因於 在拉伸變形過程中沿晶界開裂。這種具有無 序界面納米層的超晶格材料具有 1.6 吉帕的 超高強度，室溫下的拉伸延展性為 25%，這 比預期的要高得多。

此外，該團隊還發現，即使在 1050°C 的溫 度下加熱 120 小時後，晶粒尺寸的增加也可 以忽略不計。大多數傳統結構材料由於高溫 下的快速晶粒生長而遭受熱驅動帶來的結構 不穩定性。這會使得這些材料的強度迅速下 降，嚴重限制了它們的應用。納米層對於抑 制晶粒尺寸的增長和在高溫下保持其強度至 關重要，這將使這種合金非常適用於高溫結 構應用。

這種沿合金晶界的無序納米層的發現將對未 來高強度材料的發展產生積極影響，並為進 一步優化合金性能開闢一條新途徑。

晶界處的超薄無序層厚度約為 5 納米 [1]。

參考文獻

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.