Investigación del académico Lu Ke sobre la reimpresión de la importante revista "Solving the Main Bottlenecks in the Application of High-Temperature Metal Materials"
El 6 de agosto, hora local, la importante revista académica "Science" publicó un estudio titulado "Supresión de la difusión atómica utilizando la estructura cristalina de Schwartz en aleaciones supersaturadas de Al-MG". El informe proporciona un nuevo método para resolver el inestabilidad causada por la alta difusividad atómica en metales a altas temperaturas.
Los autores correspondientes de este informe de investigación son el académico Lu Ke y el investigador Li Xiuyan, supervisores doctorales del Instituto de Investigación de Metales de la Academia de Ciencias de China.
Lu Ke ha estado comprometido con la investigación de nanomateriales metálicos durante más de 20 años. Ha publicado más de 400 artículos en revistas académicas y obtuvo más de 40 patentes de invención. Ha ganado la Medalla de Oro Acta Materialia, el Premio Humboldt de Investigación, el primer Premio al Joven Académico Destacado de la Fundación Qiu Shi de Hong Kong, la Medalla de Oro ISMANAM de la Conferencia Anual Internacional sobre Metastables y Nanomateriales, el Premio al Joven Científico Chino, el He Liang Heli Premio de la Fundación al Progreso en Ciencia y Tecnología, el tercer Premio de Ciencia y Tecnología TWNSO de la Academia Mundial de Ciencias. En 2020, Lu Ke ganó el "Premio de Ciencia de Materiales" por su innovador descubrimiento y uso de estructuras nanogemelas y nanoestructuras de gradiente para lograr alta resistencia, alta tenacidad y alta conductividad del metal de cobre.
Desde 2018 hasta junio de 5438+00, Lu Ke se desempeñó como vicegobernador del Gobierno Popular Provincial de Liaoning, responsable de ciencia y tecnología, deportes y otros aspectos. A cargo del Departamento Provincial de Ciencia y Tecnología de Liaoning (Oficina de Expertos Extranjeros), Oficina de Deportes, Centro de Ingeniería de Construcción de Bases de I+D e Innovación Tecnológica Importante (Instituto de Investigación de Tecnología Industrial).
El artículo escribe que debido a la naturaleza de los enlaces interatómicos, la velocidad de difusión atómica en los metales es significativamente mayor que en la cerámica y los compuestos con valencia o enlaces iónicos. Al ajustar el proceso controlado por difusión durante la síntesis y el procesamiento posterior, la estructura es altamente ajustable en diferentes escalas de longitud, lo que permite materiales metálicos con una amplia gama de propiedades. Por ejemplo, las aleaciones de aluminio se endurecen cerca de la temperatura ambiente por precipitación de compuestos intermetálicos. En el tratamiento térmico por deformación, la resistencia y plasticidad del acero se pueden ajustar ampliamente controlando la transformación de la fase de difusión.
Sin embargo, la alta difusividad atómica hace que la estructura del metal y sus propiedades personalizadas sean inestables cuando se expone a altas temperaturas o cargas mecánicas. Esta inestabilidad es el principal cuello de botella en el desarrollo de materiales metálicos, lo que limita mucho sus aplicaciones técnicas a altas temperaturas.
El equipo de investigación mencionó que suprimir la difusión de átomos en los metales es un desafío, especialmente a altas temperaturas. Se cree que las interfaces o límites de grano (GB) asociados con estructuras más abiertas son vías de difusión rápida para los átomos en relación con la red cristalina. Al optimizar la segregación de otros elementos en los límites de grano, se puede ralentizar la difusión a lo largo de los límites de grano. Sin embargo, a medida que aumenta el grado de aleación, aumenta la tendencia a la formación de una segunda fase y la aleación de la interfaz es limitada.
La eliminación de las interfaces de difusión mediante la formación de monocristales se considera una estrategia estándar para reducir las tasas de difusión, al igual que la práctica en la fabricación de palas de superaleación monocristalina para aplicaciones de alta temperatura en motores de turbina. Sin embargo, el equipo cree que incluso en los metales monocristalinos, su alta difusividad no puede suprimirse a temperaturas más altas. A temperaturas homólogas más altas, la concentración de vacantes de equilibrio en la red cristalina aumenta significativamente, lo que necesariamente aumenta la velocidad de difusión de los átomos.
En 2020, un importante resultado de Lu Ke y otros en "Science" mostró que descubrieron una estructura metaestable de grano muy fino en cobre puro, a saber, una estructura cristalina de Schwartz. El equipo de investigación mencionó que, aunque contiene una densidad extremadamente alta de interfaces, esta estructura exhibe una estabilidad térmica muy alta a altas temperaturas cercanas al punto de fusión para evitar el engrosamiento del grano.
Por lo tanto, el equipo de investigación cree que es muy significativo estudiar si esta estructura cristalina de Schwarz estable puede inhibir la difusión de átomos en la aleación a altas temperaturas.
Caracterización estructural de la muestra SC-8.
En este último estudio, el equipo de investigación utilizó un dispositivo de torsión de alta presión para deformar una aleación monofásica de Al-Mg (Al-Mg) sobresaturada bajo una presión hidrostática de 77K y 10GPa. Cuando la tensión aplicada excede ~20 GPa, la estructura de la muestra de aleación se refina a nanoescala y se forman en la muestra nanocristales orientados aleatoriamente con ejes aproximadamente iguales. La distribución del tamaño de partícula es uniforme, con un tamaño promedio de partícula de 8 nm (muestra SC-8). Una serie de análisis y pruebas muestran que los átomos de Mg sobresaturados están distribuidos uniformemente en la estructura nanocristalina, en lugar de agregarse o dispersarse en GB como otras aleaciones de Al-Mg deformadas a temperatura ambiente.
El aluminio es un metal altamente difusible, y el magnesio es uno de sus elementos de aleación más difusibles. El equipo de investigación observó el comportamiento de difusión de una aleación sobresaturada de aluminio y magnesio, que tiene una estructura cristalina de Schwarz. Se estudiaron los procesos de difusión de compuestos intermetálicos a diferentes temperaturas, como precipitación, engrosamiento de grano y fusión.
Evolución estructural de la muestra durante el recocido.
Se descubrió que esta estructura de interfaz mínima no sólo reduce la velocidad de difusión transfronteriza aparente de los átomos en la aleación sobresaturada de Al-Mg en aproximadamente 7 órdenes de magnitud, sino que también mantiene la estructura de la aleación a temperaturas superiores. el punto de fusión.
Se cree que las observaciones en esta aleación sobresaturada de Al-Mg son consistentes con las observadas por nuestro equipo en muestras de cristal de Schwarz de cobre puro y es un proceso controlado por autodifusión.
Estabilidad de la red de muestra constante y tamaño de grano.
Se menciona que las características de no difusión de la estructura cristalina de Schwarz en metales son de gran importancia para comprender el proceso de difusión básico y la dinámica de transporte de estado sólido en la interfaz, especialmente el proceso de difusión a altas temperaturas. . Los cristales de Schwartz parecen proporcionar una barrera sólida contra la difusión atómica en metales y aleaciones alternativas, aumentando la estabilidad de la temperatura de fusión muy por encima de las aleaciones convencionales.
Luco y otros creen que explotar la estructura cristalina de Schwartz para desarrollar aluminio avanzado y otras aleaciones dará a estos materiales propiedades beneficiosas en aplicaciones de alta temperatura.
Distribución elemental de la muestra tras el recocido.
Vale la pena señalar que este es el artículo número 13 de Lu Ke publicado en la revista Science desde 2000. Además, también publicó un artículo en "Nature", otra revista importante, en 2010. Lu Ke, de 56 años, se graduó en la Universidad de Ciencia y Tecnología de Nanjing en 1985 con especialización en materiales metálicos y tratamiento térmico, y recibió un doctorado en ingeniería metálica en 1990. En 2003, fue elegido académico de la Academia de Ciencias de China (el académico más joven). En 2005, fue elegido académico de la Academia de Ciencias de Alemania. En 2006, fue nombrado editor de reseñas de la American. Science Weekly En 2018, fue elegido académico extranjero de la Academia Nacional de Ciencias de Estados Unidos.
Revisión: Zhang