Materials Today: 纳米晶金属快速烧结新技术！革新突破！毫米级纳米晶涂层问世：解锁金属材料的 “不可能三角”

近日，上海交通大学材料科学与工程学院赵德超和我院刘玉敬老师在纳米晶金属制备方向取得重要突破，相关成果在材料领域顶级期刊《Materials Today》发表题为 “Rapid electrical-current-activated sintering achieves robust cladding with uniform nanocrystalline grains”的论文。研究团队报告了一种快速电流活化烧结技术（RECAS），仅需数十秒即可制备毫米级均匀纳米晶结构涂层，攻克传统工艺效率低、尺寸受限的难题。该涂层展现三大核心优势：高强度与塑性协同，极端环境耐受及支持大尺寸构件制造。

纳米晶金属因极细晶粒展现超高强度，但其应用长期受限于两大瓶颈：1. 传统工艺仅能生产微米级涂层/粉末，无法制备大尺寸块体；2. 纳米晶粒高能态导致高温或变形后易粗化，稳定性不足。突破尺寸限制与热稳定性难题，是推动其从实验室迈向工业应用的核心挑战。

针对该关键问题，赵德超副教授等人创新开发快速电流活化烧结技术(RECAS)，成功突破纳米晶金属的尺寸限制。该技术通过瞬时强电流脉冲（毫秒级）结合高压，在粉末接触界面引发局部焦耳热效应，实现颗粒间的瞬时冶金结合。该技术通过精准控温避免晶粒粗化，涂层密度接近理论极限，且晶粒尺寸稳定在纳米范围，突破传统工艺中 “尺寸” 与 “稳定性” 不可兼得的瓶颈，为纳米晶金属工业化应用铺平道路。

纳米晶材料的高晶界密度本是“双刃剑”：赋予超高强度的同时，也埋下了高温失稳的隐患。研究团队通过在中熵合金中引入微量间隙氧原子，实现了溶质拖曳效应。原位高温 X 射线衍射实验表明，涂层在接近熔点的极端温度下仍保持纳米晶结构，晶粒粗化温度较文献报道值提升近 40%。原子尺度分析揭示，氧原子均匀分布在晶格间隙与晶界区域，通过提高金属原子的扩散能垒，有效抑制了晶界迁移。这种 “氧原子护盾” 机制为纳米晶材料的长周期服役提供了关键保障。

在微柱压缩实验中，纳米晶中熵涂层涂层展现出逼近 3 GPa 的屈服强度，刷新了面心立方结构金属的强度纪录。其卓越性能源于三重强化机制：纳米晶细化产生的霍尔 - 佩奇效应、中熵合金多主元固溶带来的 “鸡尾酒效应”，以及间隙氧原子对位错运动的钉扎作用。尤为难得的是，材料在承受 40% 压缩应变时仍保持完整，透射电镜捕捉到部分位错主导的纳米孪晶、层错结构以及长周期堆垛相的动态形成过程，揭示了高强度与良好塑性的协同奥秘。

作为舰船螺旋桨、水力涡轮等严苛环境部件的理想涂层，纳米晶 CoCrNi 展现出惊人的环境耐受性。在磨损实验中，其磨损率比铝合金基材降低两个数量级，表面微观结构在摩擦过程中发生动态晶粒细化，形成自强化防护层。面对空泡溃灭产生的高压微射流冲击，涂层的抗空蚀性能较船舶工业标杆材料镍铝青铜提升 3.5 倍，表面粗糙度降低 82%。高铬含量（33.3 at.%）带来的钝化膜使其在电化学腐蚀测试中同样表现优异，真正实现了 “一种涂层，多重防护”。

从海洋工程装备的抗空蚀涂层，到航空航天器的超强耐磨部件，RECAS 技术制备的纳米晶中熵合金涂层正在重新定义高端材料的性能边界。这项突破不仅解决了困扰领域数十年的纳米晶金属制备瓶颈，更启示着材料设计的新方向通过多尺度结构调控与元素协同效应，解锁传统材料体系中 “不可能三角” 的终极密码。当纳米晶金属借助RECAS这种简便技术真正走出实验室的方寸之地，或许才是其真正大展拳脚之时。