科技新发现：新型高熵合金的诞生！

Posted 2022-02-10 fxx286

　　随着聚变反应堆领域和航空航天技术的进步，针对高性能低温材料的需求越来越迫切。高熵合金作为多主元合金的代名词，近些年引起研究人员的广泛关注。香港城市大学（香港城大）领导的一支研究团队便研发出一种新型高熵合金，攻破了合金的强度和延展性不相容的这个难题，这种高熵合金强度较高，为未来研发创新的结构材料扫除障碍。

　　高熵合金（High-entropy alloys）简称HEA，是由五种或五种以上等量或大约等量金属形成的合金。由于高熵合金可能具有许多理想的性质，因此在材料科学及工程上备受重视，并得到广泛研究。一直以来，金属材料强度与延展性难以兼得。在保证塑性的前提下，提高金属合金的强度并不容易。新型高熵合金能夠较好的避免了这个问题，而且高熵合金强度得以提高，这背后其實藏着香港城市大学（香港城大）與各方诸多研究者的默默努力。

 

 

　　在合金的强度和延展性不相容的这个问题上，由香港城大材料科学及工程学系、大学杰出教授刘锦川教授领导的一项研究，早前取得了突破，为这个纠结了数十年的难题找到解决方法：透过纳米级颗粒大量沉淀，制造坚固且具有延展性的高熵合金。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。

　　高熵合金是一种“超级固溶体”，因此固溶强化效应会异常强烈，在合金为结晶相时,大量的固溶原子能够阻碍位错的运动，从而形成高强高硬固体。高熵合金组元众多，扩散时各元素配合扩散，使新相难以长大，因此常见纳米析出相，又能进一步增强合金的强度。不过，大多数合金都有同一样的关键问题：合金的强度越高，延展性和韧性越小，坚固的合金较难变形或拉伸而不断裂。因此找出「强度和延展性兼具」的平衡，成为解决问题的关键所在。

　　由香港城大材料科学与工程学系刘锦川教授领导的一项研究，早前在頂尖學術期刊《科學》上便發表研究成果，指出透过纳米级颗粒大量沉淀，成功制造了既坚固、又具延展性的高熵合金，文章題為「多組元金屬間納米顆粒和複合合金的優越機械性能」（Multicomponent intermetallic nanoparticles and superb mechanical behaviors of complex alloys）。

　　大部分常见的合金由一至两种主要元素，如镍和铁来制造。在研究中，刘教授及他的团队发现通过在铁钴镍合金中加入铝和钛，形成大量沉淀颗粒，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。

　　刘教授说︰“我们制造了一种名为Al7Ti7 （(FeCoNi)86Al7Ti7）的新型高熵合金，这种新型合金在室温下强度达1.5 GPa（gigapascal），延展性达50%。透过纳米颗粒的强化，它能比以铁、钴、镍（FeCoNi）制成的合金坚固5倍。”也就是说高熵合金强度得到了较大的提高。

 

　　另一方面，由于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。有鉴于此，研究团队进一步发现，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，大大提升合金的均匀变形能力。

 

 

　　而在解决「变形和脆化」问题上，团队则更进一步，找出了由镍、钴、铁、钛和铝原子组成的复合纳米颗粒的理想配方，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。

 

　　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，从而让新型高熵合金在室温和高温下达至优越的机械性能。

 

　　刘教授相信，采用这种创新策略制造的新型高熵合金，可以使高熵合金强度大大增加，并且在摄氏零下200度低温至1,000度高温的温度范围内都表现出良好性能，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！