纳米结构金属材料因其具有理想的强度、硬度、耐磨性和抗高周疲劳性等许多粗晶金属材料所不具备的理想性能而备受推崇。然而纳米结构金属材料中高密度的晶体缺陷导致其微观组织结构极不稳定，限制了纳米结构金属材料的应用。因此提高纳米结构的热稳定性具有重要的学术意义和工程意义。对于通过高应变塑性变形得到的层状纳米结构，Y型三叉线（Y-junction）迁移是其均匀粗化的主要机制，Y-junction的运动沿形成Y-junction层状界面平行的方向，不同于晶界的迁移沿界面曲率方向。此外层状纳米结构中均匀分布的纳米颗粒会对Y-junction的迁移产生影响进一步影响层状纳米结构的粗化，目前对于该影响的具体机制还不明晰。我们之前对层状纳米结构的原位退火观察表明，沿晶界的析出相颗粒可以有效地稳定微观组织，尤其是析出相颗粒与伴生位错界面（IDBs）的共同作用会对Y-junction的运动产生强大的钉扎效果。在此基础上本研究设计了一种具有均匀分布纳米Si颗粒的层状Al-1%Si合金，通过透射电镜原位加热实验和块状样品退火实验，进一步提高层状纳米结构材料的热稳定性，揭示纳米颗粒调控热稳定性的机制。发现，Y-junction迁移过程中遇到片层界面和片层内部的Si颗粒都可以直接钉扎Y-junction；此外，Si颗粒可以与伴生位错界面相互作用钉扎Y-junction。相关研究成果以题“Uncovering the role of nanoscale Si particles on the thermal stability of a lamellar-nanostructured Al–1%Si alloy”2024年发表在知名期刊《Materials Research Letters》上，帅林飞为第一作者，黄天林、余天博为共同通讯作者。

论文链接：

https://doi.org/10.1080/21663831.2024.2316198

组织中变形前已经存在的Si颗粒有效地阻碍了变形过程中的位错运动，形成了Si颗粒沿IDBs分布的Si particles-IDB结构(图1)。这种particle-IDB结构显著阻碍了Y-junction的迁移（图2（b）），抑制了层状结构的粗化。Particle-IDB的协同作用提高了对Y-junction的钉扎作用，加上Si颗粒的直接钉扎（图2（a）），有助于进一步提高层状纳米结构Al-1%Si合金的热稳定性（图2（c））。

图1 变形态Al-1%Si合金的显微照片。可以看到分散的Si颗粒和

Si particles-IDB结构，其中（d）为（c）中虚线框区域的局部放大图。

图2 Al-1%Si层状纳米结构中，Y-junction迁移与Si颗粒或particle-IDB结构交互作用的透射电镜原位退火实验。

通过块状样品退火后的透射电镜表征也证实了Si颗粒在提高层状纳米结构热稳定性方面的作用。图3（a-c）显示了块状样品在100℃-200℃退火后的微观组织，片层结构均匀粗化，但仍具有明显的层状结构特点。所有退火后的显微组织都有均匀分布在片层界面和片层内部的Si颗粒，以及IDBs和particle-IDB结构（图3（d-f））。再一次证明了，Si颗粒和particle-IDB结构的协同钉扎作用能有效地提高层状纳米结构Al-1%Si合金的热稳定性。

图3 Al-1%Si样品在（a）100℃，（b）150℃，（c）200℃等时退火1h后的组织演变。（d-f）为相应的高倍显微组织。（g）初始晶粒尺寸d0与退火后晶粒尺寸df的比值随退火温度的变化曲线。（h，i）退火过程中三叉线和Y型三叉线面积密度随退火温度的变化。