熱穩定性差是超細晶粒和納米結構的晶體材料中的關鍵問題，也是阻礙其應用的原因之一。高熱穩定性意味著在高溫下低的晶界（GB）遷移速率和有限的晶粒粗化。這可以通過降低GB的能量和固有遷移率，或通過引入拖動GB遷移的物質（例如雜質原子，沉澱或孔）來實現。有研究表明在液氮中通過表面機械研磨加工的純度為99.97 wt%的銅棒20 µm厚的表層納米顆粒具有明顯的熱穩定性。將這種納米級微觀結構的穩定歸因於GBs的鬆弛和原位塑性應變和動態重結晶過程中能量的減少。
在本研究中，以色列理工學院的Yuanshen Qi和德國卡爾斯魯厄技術學院的Anna Kosinova共同發現通過高壓扭力（HPT）處理的銅超細顆粒（UFG）表面層具有極高的熱穩定性。相關論文以題為“Stabilization of ultrafine-grained microstructure in high-purity copper by gas-filled pores produced by severe plastic deformation”發表在Scripta Materialia。
論文鏈接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359646219306438
在該項研究中，使用99.9995wt%（5N5）純度的銅盤作為模型材料，以排除其他合金作用，在室溫下通過HPT處理銅盤。發現HPT處理過程中，N2有兩種可能的滲透途徑。首先，在HPT期間形成的晶界GB、異常高的擴散率和自由體積，它們可以傳導N2。其次，由銅表面的摩擦變形（相對滑動和銅盤與HPT砧之間的滑動）引起的塑性不穩定性是捕獲分子N2的另一個原因。表面微裂紋或納米裂紋是無法避免的。它們可以在變形過程中捕獲並封閉N2分子。此外，在HPT期間塑性流動的內在不穩定性也會導致N2的捕獲。N2一旦進入孔中，便會阻止其在高溫下收縮。
不斷增加的氣壓會抵消內壓力，而內壓力是導致孔收縮的驅動力。N2含量較高且內部氣壓較高時，孔附近的平衡空位濃度變得低於樣品中的平均濃度，導致這些孔的生長以及N2含量較低的對應物為代價。這種粗化過程導致退火期間孔的數量減少和平均尺寸增加。這些孔釘住了GBs，減慢了它們的遷移，從而在包含孔的區域中保留了UFG的微觀結構。
圖1 HPT處理的5N5純度Cu中的超細晶粒表面層
捕獲的氣體在保持金屬內部孔隙中的重要作用，揭示了經過嚴重塑性變形退火的金屬退火後超快速擴散路徑的持久性的新發現。實際上，即使在較高的均相溫度下退火之後，在三重連接處的細長的充氣孔也可以穩定UFG的微觀結構，並確保沿著孔的內表面存在連續的滲透擴散路徑。這些孔中的內部高氣壓應防止它們在高溫下收縮。
圖2.通過準原位表徵驗證UFG和孔在頂部表面層中的共存
圖3加工樣品的上表面層中的納米孔
圖4.EELS表徵揭示了加工和退火樣品中納米孔中的氮
總之，本研究發現了在劇烈變形的金屬中從大氣中捕獲N2分子的現象，這在先前的研究中被忽略了。因此，設計填充有不同氣體的納米孔可以用作改善超細晶粒和納米結構的金屬材料的熱穩定性的工具。文章闡明瞭孔如何形成以及在退火過程中不會收縮的原因。雖然該研究僅考慮一般的大角度GB，但有望在低角度GB和特殊GB有所突破。（文：33）
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