加入了新元素的高熵合金！不再容易出现变形和脆化！

Posted 2022-02-10 fxx286

　　随着人类开发材料能力的不断提升，对于合金的应用也经历了从简单到复杂的发展过程。近年开始迅速发展的高熵合金与传统合金相比，打破了长期以来以一或两种元素为主元的合金设计思路，功能和性能不断改善。但现阶段，高熵合金在应用方面离商业化应用还有一些距离，这主要体现在高熵合金强度和延伸度的平衡上，这也是众多研究者的主攻方向之一。香港城市大学（香港城大）团队早前成功研发了名为Al7Ti7 （(FeCoNi)₈₆Al₇Ti₇）的新型高熵合金，这种高熵合金加入新元素，在室温下强度达1.5 GPa（gigapascal），延展性达50%！

　　透过纳米颗粒的强化，这种新型高熵合金强度和以往以铁、钴、镍（FeCoNi）制成的合金相比，足足坚固5倍。它不但坚固，而且兼具延展性和韧性，攻破了强度和延展性不相容这个棘手难题，为未来研发创新的结构材料扫除障碍。

 

（以创新方法制成的新型高熵合金Al7Ti7解决了强度和延展性不相容这个棘手难题）

 

　　“大部分常见的合金由一至两种主要元素，如镍和铁来制造。然而，我们发现通过在铁钴镍合金中加入铝和钛，形成大量沉淀颗粒，新型高熵合金的强度和延展性都显著提高，解决了结构材料中两者难以兼得的关键问题。”负责领导这项研究的香港城大材料科学及工程学系刘教授解释说。

 

　　高强度合金在塑性变形的过程中通常出现不稳定的状况，即颈缩（necking）问题，也就是说当合金受高拉伸力时，其变形会变得不稳定，很容易出现颈缩断裂（局部变形），只能作有限的均匀伸长。在刘锦川教授的领导下，团队发现，加入「多组元金属间纳米颗粒」，即由不同元素原子组成的复合纳米颗粒，可以改善变形的不稳定性，新生成的新型高熵合金强度大大提升，合金的变形能力也更加均匀。

 

 

 

　　团队还进一步找出了镍、钴、铁、钛和铝原子组成的复合纳米颗粒的理想配方。刘教授解释，每个纳米颗粒只有30至50纳米大小，并用铁和钴原子取代部分镍，有助降低「价电子」（valence electron）的密度，增强新合金的延展性；另一方面，用钛取代部分铝，能够大大减少空气中水分导致新合金出现脆化的机会。

 

 

（Al7Ti7合金在常温下具有优异的强度-延长性组合）

 

　　这项尖端研究已经在顶尖学术期刊《科学》（Science）发表，题为《多组元金属间纳米颗粒和复合合金的优越机械性能》（Multicomponent intermetallic nanoparticles and superb mechanical behaviors of complex alloys）。

 

　　“这项研究为制造超级合金开拓了一种创新的设计策略，通过采用多组元纳米颗粒来强化复合合金，从而让新型合金在室温和高温下达至优越的机械性能。”刘教授说。

 

　　他相信，这种创新策略制造的新型高熵合金强度和延伸度表现优秀，能够在摄氏零下200度低温至1,000度高温的温度范围内都展示出良好性能，这些新合金将为进一步研发低温设备、飞机和航空高温系统以及其他领域的结构用途奠定稳健的基础，实现强度和延伸度的完美平衡。