納米孿晶作為一種特殊的微觀組織可為金屬材料帶來諸如高強(qiáng)度、高電導(dǎo)、高穩(wěn)定性等優(yōu)異的性能，近年來一直是行業(yè)內(nèi)的研究熱點(diǎn)。但迄今為止，相關(guān)研究大多局限于具有中、低層錯(cuò)能的金屬材料(如銅和銀)，在具有高層錯(cuò)能的金屬(如鋁)中則很難形成納米孿晶組織。尤其是對于工業(yè)上廣泛使用的鋁及鋁合金而言，如果能形成納米孿晶組織，則有望大幅度提高其強(qiáng)度，從而擴(kuò)寬其應(yīng)用范圍。

　　有研究人員通過將鋁(Al)與低層錯(cuò)能金屬銀(Ag)復(fù)合，制備出Ag/Al納米多層膜，通過層間共格界面的模板效應(yīng)，使銀層中形成的納米孿晶越過界面直接生長到鋁層中，因此獲得了納米孿晶鋁。這種制備方法工藝復(fù)雜、條件嚴(yán)苛，同時(shí)需要利用低層錯(cuò)能金屬作為孿晶源以誘發(fā)孿晶生長，其實(shí)際應(yīng)用受到限制。如何能在更加簡單的條件下制備納米孿晶鋁目前仍是國際性難題，相關(guān)研究具有重要的理論意義與實(shí)用價(jià)值。

　　針對上述問題，西安交大金屬材料強(qiáng)度國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室孫軍教授團(tuán)隊(duì)博士研究生左家棟、青年教師張金鈺教授、劉剛教授與何成副教授合作，采用磁控濺射方法制備了納米結(jié)構(gòu)的鋁/非晶氮化鋁(Al/AlN)多層膜，并在鋁層中觀察到了明顯的納米孿晶(上圖a)和9R相(上圖b)。9R相是一種擴(kuò)展的非共格孿晶界，具有周期性排列的層錯(cuò)結(jié)構(gòu)。

　　由于在鋁中9R相比納米孿晶更不穩(wěn)定，其制備難度亦高于納米孿晶，目前關(guān)于鋁中9R相的形成機(jī)理和強(qiáng)化效果尚不清楚。在~10nm到~200nm范圍內(nèi)調(diào)控Al/AlN納米多層膜的單層厚度h，發(fā)現(xiàn)納米孿晶和9R相的形成隨h變化均表現(xiàn)出明顯的尺寸效應(yīng)：(i)從當(dāng)單層厚度h￡~20nm時(shí)，超過70%的9R相貫穿整個(gè)Al層厚度；而當(dāng)h>~20nm時(shí)，超過80%的9R相從Al/AlN相界面形成后終止于晶粒內(nèi)，并沒有形成貫穿Al層厚度的結(jié)構(gòu)。(ii)另一方面，納米孿晶的含量整體上隨單層厚度h的增大而增加，但是在h￡~20nm時(shí)納米孿晶含量較低(<5%)，而當(dāng)h>~20nm時(shí)納米孿晶含量大幅提高(>~10%)。

　　硬度測試結(jié)果表明，隨h降低其硬度逐漸升高(上圖c中Regime I)，當(dāng)h達(dá)到~20nm以下時(shí)硬度出現(xiàn)峰值平臺(~3.8 GPa，上圖c中Regime II)，這一峰值硬度約為已報(bào)道的納米鋁最高硬度的4倍。傳統(tǒng)上用于解釋單層厚度為十幾個(gè)納米以下金屬多層膜硬度峰值平臺的理論是界面強(qiáng)度模型(Interface Barrier Strength,IBS)，但是該模型的預(yù)測結(jié)果與Al/AlN多層膜Regime II的實(shí)測硬度相比低了1GPa以上，這一差別來源于Regime II小層厚范圍內(nèi)9R相主要為貫穿Al層厚度的結(jié)構(gòu)，對位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)具有強(qiáng)烈的阻礙作用，而在通用的IBS模型中并未考慮這一因素的影響。從硬度性能數(shù)據(jù)上可以反映出，納米鋁中的9R相強(qiáng)化效果非常明顯，未來有望成為鋁及其合金強(qiáng)化的一種重要手段。

　　結(jié)合XPS縱深方向逐層剝離表征技術(shù)，提出了基于異質(zhì)界面物理和界面化學(xué)的Al層納米孿晶和9R相形成機(jī)理，即AlN非晶層中未成健N原子向Al層中擴(kuò)散，形成了N原子從界面到層中心的梯度分布，在降低界面處局部層錯(cuò)能的同時(shí)，由于梯度作用從界面處誘發(fā)了納米孿晶和9R相。由于N原子分布梯度與Al層層厚密切相關(guān)，因此形成了納米孿晶和9R相的層厚尺度效應(yīng)。異質(zhì)界面及其界面物理/化學(xué)將在納米疊層材料相變以及微觀組織演變方面產(chǎn)生重要影響。

　　該研究成果日前在結(jié)構(gòu)金屬材料領(lǐng)域國際著名學(xué)術(shù)期刊Acta Materialia(IF=6.04)上發(fā)表，西安交通大學(xué)為該論文的唯一作者單位。本文也是該團(tuán)隊(duì)近年來在納米金屬薄膜/多層膜強(qiáng)韌化與變形斷裂方向上所發(fā)表的第18篇Acta Materialia文章。該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金和“111”引智計(jì)劃項(xiàng)目的資助。

文章鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1359645419303374

熱門關(guān)鍵詞：鋁加工 科技創(chuàng)新 鋁應(yīng)用