2025-01-10 | 科研部 南科大任富增课题组提出双重纳米复合结构设计协同提升合金强塑性新策略

近日，南方科技大学材料科学与工程系教授任富增课题组在纳米材料顶刊Nano Letters上发表题目为“Dual-Nano Composite Design with Grain Boundary Segregation for Enhanced Strength and Plasticity in CoCrNi-CuZr Thin Films”的研究论文，研究发现通过引入高密度纳米孪晶和非晶-纳米晶双重纳米复合结构耦合界面元素偏析，可以有效解决高强度纳米结构材料中的应变局域化问题，为实现高强度和大塑性协同提供了新思路。

在金属材料中实现超高强度和大的均匀塑性变形是材料科学领域的重大挑战。相关研究发现，晶粒细化和非晶化等手段可以强化金属材料，然而这些纳米结构材料或非晶合金通常出现应变局域化的问题，限制了塑性变形能力。该研究团队通过引入高密度纳米孪晶和纳米晶-非晶复合结构，可以有效解决高强度纳米结构材料中的应变局域化问题。此外，界面元素偏析通过降低界面能进一步提高变形稳定性。本研究提出了一种设计策略，将纳米孪晶、纳米晶-非晶复合结构和界面偏析相结合，以提高纳米结构材料的强度和变形稳定性，进而协同提升金属材料的强塑性。

基于此，任富增课题组选择具有低层错能合金作为基体，以促进高密度纳米孪晶的形成，并引入与基体合金元素之间正混合焓的非晶第二相，从而诱导非晶相的形成和界面元素偏析，构筑高密度纳米孪晶和非晶-纳米晶双重纳米复合结构并耦合界面偏析，以期实现对合金薄膜强塑性的协同提升。

该研究选用低层错能CoCrNi和非晶CuZr合金靶材，利用磁控共溅射技术，通过优化溅射工艺参数，成功制备出(CoCrNi)₉₁(CuZr)₉复合薄膜，系统研究了其微观结构、力学性能和变形机理。结果发现，制备的(CoCrNi)₉₁(CuZr)₉合金薄膜呈典型的柱状纳米结构（宽度为67.4 ± 25.7 nm），柱状纳米结构内部包含了纳米晶-非晶双相结构（非晶占~10%），其中晶态相为密排立方（hcp）相以及面心立方（fcc）相，晶态相中包含高密度纳米孪晶和层错。平均孪晶间距为0.80 nm，非晶相平均直径为3.39 nm，界面存在明显的Cr元素偏析（图1）。

图1. 双重纳米复合结构设计示意图（a）和(CoCrNi)₉₁(CuZr)₉合金薄膜微观结构（b-g）与成分（h）表征

微柱压缩实验表明，双重纳米复合结构的(CoCrNi)₉₁(CuZr)₉薄膜屈服强度高达4.0±0.2 GPa，比纳米晶CoCrNi提高了18%，比非晶态CuZr提高了67%，强化作用显著，同时实现了超过30%的均匀变形，抑制了纳米晶CoCrNi和非晶态CuZr中出现的应变局域化现象（图2）。基于变形后的微观组织分析和变形过程力学响应的有限元模拟，阐明该双重纳米复合结构的变形机制。随加载过程进行，在纳米晶区域纳米孪晶密度减小，层错增加，然后通过层错的相互作用形成 L-C 锁。同时，柱状纳米晶和富Cr界面在外围区域发生弯曲，芯部区域发生晶粒细化进一步增加界面体积分数，并伴随纳米尺度非晶相的塑性流变，提供持续的应变硬化。在这一过程中，高密度纳米孪晶、柱状界面和纳米晶-非晶界面阻碍了位错运动并均匀分散应力，有助于提高材料的屈服强度和均匀变形能力，富Cr界面通过降低界面能提高变形稳定性（图3）。

图2. 非晶CuZr、纳米晶CoCrNi和双重纳米复合结构(CoCrNi)₉₁(CuZr)₉薄膜的微柱压缩应力应变曲线（a）和变形前后形貌（b-d）

图3. 双重纳米复合结构(CoCrNi)₉₁(CuZr)₉薄膜在力学响应中的有限元模拟（a）和变形机制示意图（b）

另外，通过大变形量纳米压痕测试和截面微观结构分析进一步验证了该双重纳米复合结构设计带来的优异协同变形能力（图4）。该研究提出的双重纳米复合结构策略有望推广至其他合金体系，以开发高强度、大塑性及持续应变硬化的先进金属材料。

图4. 非晶CuZr、纳米晶CoCrNi、双重纳米复合结构(CoCrNi)₉₁(CuZr)₉薄膜的纳米压痕表面形貌（a）和测试后 (CoCrNi)₉₁(CuZr)₉薄膜截面微观结构（b-g）

任富增教授课题组博士生庄启明和博士后梁钉山为论文共同第一作者，任富增教授为论文唯一通讯作者；南方科技大学为论文第一单位和通讯单位。本项研究得到了国家自然科学基金优秀青年科学基金和广东省基础与应用基础研究基金的资助以及南科大公共分析测试中心的技术支持。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.4c04755

供稿单位：材料科学与工程系

通讯员：邓雅丽

主图：丘妍

编辑：周易霖