纳米晶和纳米孪晶金属的强度在尺寸低于10纳米时因晶界或孪晶界的不稳定性而受限。传统晶粒细化强化遵循Hall-Petch关系，但低于临界尺寸（约10纳米）时，晶界迁移、滑动或旋转等机制主导塑性变形，导致软化。虽然通过合金元素偏聚可稳定晶界，但受限于金属间化合物的形成。孪晶界虽具有低超额能量，但高密度下易发生迁移和去孪晶，导致软化。因此，开发更稳定的纳米尺度界面是实现进一步强化的关键。

中科院金属研究所的研究团队于2025年11月在国际权威期刊《Science》的正刊上在线发表了题为“Strengthening Ni alloys with nanoscale interfaces of negative excess energy”的重磅研究性论文。团队通过引入“负能界面”（negative-excess-energy interface, NEI），在Ni(Mo)超饱和固溶体中实现了界面平均间距小至1纳米的极高密度分布，使合金强度接近理论值，杨氏模量高达254.5 GPa，远超相同成分的金属玻璃和金属间化合物（Ni3Mo）。这一突破为纳米材料强化提供了新范式，有望推动高性能结构材料的发展。通讯作者为中科院金属所的李秀艳研究员和卢柯院士，同时这也是卢柯院士的第14篇《Science》。

文章链接：

https://D0i.org/10.1126/science.aea4299

【核心内容】

团队发现，在超饱和Ni(Mo)固溶体中，面心立方（FCC）和六方密堆积（HCP）晶格之间的相干界面具有负过剩能量的纳米尺度界面，该界面的稳定性要远高于孪晶界，并且可通过调控结晶条件实现极高密度分布的负过剩能量界面（NEIs），平均间距达0.7 nm，通过该界面能够有效抑制材料的塑性变形，将材料的实际强度提升至接近理论极限，团队通过密度泛函理论（DFT）计算得出界面超额能量为-8.7至-19.5 mJ/m²，在理论层面证实了其热力学稳定性。

【研究方法】

团队通过脉冲电沉积工艺制备了Ni-Mo合金箔，其中Mo的含量约为26.0 at%，随后团队使合金在一定的温度范围内结晶形成玻璃相（团队单调增加结晶温度或时间，以此将样品标记为26Mo#1-26Mo#5，最终将848K晶化后在923K热处理1h的样品标记为26Mo#5），最终获得具有<111>取向的FCC结构的Ni(Mo)过饱和固溶体纳米晶粒。随后团队为了明确微观结构和相界面的演化情况通过HR-TEM和EDS等手段对微观结构进行系统性表征，在该过程中团队观察了随机分布的孪晶界（TB-I、TB-II）、堆垛层错（ISF、ESF）以及ABCABC/ABAB混合界面，为了进一步验证负过剩能量的起源，团队通过DFT计算模拟了D0₂₂和D0a相的混合界面。

Ni(26%Mo)过饱和固溶体的微观结构特征

【研究成果】

① 微观结构与性能协同优化

通过调控结晶温度和时间，平面缺陷密度显著增加。26Mo#5中，缺陷层平均密度达29%，平均边界间距仅为0.7nm，整体微观结构呈现出高密度的ABCABC（FCC）和ABAB（HCP）混合界面为特征，界面体积分数从19%增至39%（26Mo#5）。ABAB堆垛在Ni(Mo)固溶体中比FCC晶格和TB-I孪晶更稳定。

Ni(Mo)样品中的平面缺陷与ABCABC/ABAB相干界面

② 优异的力学性能

微柱压缩测试显示，26Mo#5因具有高密度NEIs的样品，因此在应变约2%时发生脆性断裂，断裂强度达5.08GPa，且均为弹性变形，即截止于断裂前，约2%的变形均可逆，同时材料的显微硬度从26Mo#1的12.18GPa升至13.54GPa，高于Ni3Mo的8.39GPa和玻璃相的7.04GPa，材料强度随界面密度增加而提升，超越了目前已报道的纳米晶和纳米孪晶Ni合金数据。

具有纳米级负超额能界面的过饱和Ni(Mo)固溶体的力学性能

③ 强化机制的深入探讨

纳米压痕测得杨氏模量随NEI密度线性增加，从207.8GPa（26Mo#1）至254.5GPa（26Mo#5），显著高于纯Ni（187.6GPa）和Ni3Mo（195.2GPa）。DFT计算表明，界面处的原子畸变和电子结构变化增强了键合强度，导致弹性模量升高。负超额能量界面通过抑制位错滑移和晶界活动，使塑性变形机制失活，从而实现接近理论强度的强化效果。

具有纳米级负超额能界面的过饱和Ni(Mo)固溶体的弹性模量

【总结与展望】

团队通过多尺度实验与计算结合，阐明了Ta在提升MPEA高温性能中的核心作用，该研究为设计高强度、高稳定性高温合金提供了新策略，未来工作可以聚焦于蠕变性能优化和晶界工程，推动该类材料在航空航天等领域的实用化。