Science香港城大工作:坚固又具韧性的新型高熵合金面世


刘锦川教授与团队合照,前排左起开执中教授、刘锦川教授、焦增宝博士,后排左起是赵怡潞、杨涛,和三维原子探针联合研究实验室高级副研究员栾军华博士


       多主元合金,通常称为高熵合金(High-entropy alloys,简称HEAs),是由五种或以上等量或相近等量的金属制成的新型材料。由于这种合金在结构应用方面具有很大潜力,因此目前在材料科学和工程领域备受关注,是相关研究的重点。


       然而,大多数合金都同样存在一个关键的缺点:合金的强度越高,其延展性和韧性越小,即坚固的合金更难以变形或拉伸而不断裂。


       不过,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于最近取得突破,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。


       这项尖端研究刚在最新一期的顶尖学术期刊《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)。


图1:以创新方法制成的新型高熵合金Al7Ti7


找出「强度和延展性兼具」的平衡


       刘教授说︰“我们能够制造一种名为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。”


       “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,合金的强度和延展性都显着提高,解决了结构材料中两者难以兼得的关键问题。”刘教授解释说。


       此外,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。可是,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。


图2:研究人员把新型高熵合金Al7Ti7放在三维原子探针下进行分析


解决「变形和脆化」问题


       团队更进一步找出由镍、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。


图3:Al7Ti7合金在常温下具有优异的强度-延长性组合


       “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,采用这种创新策略制造的新合金,能够在零下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。


刘锦川教授:

       美国国家工程院院士、中国工程院外籍院士、台湾中央研究院院士,以及香港城大高等研究院资深院士。他是这项研究的论文的通讯作者,他的博士生、现任香港城大材料科学及工程学系高级助理研究员杨涛是第一作者。


其他共同作者包括:

       香港城大机械工程学系和先进结构材料研究中心的开执中讲座教授、助理教授胡琪怡博士、博士后研究员赵怡潞、仝阳和魏杰、和博士生陈达,以及香港理工大学机械工程学系助理教授焦增宝博士、北京工业大学固体微结构与性能研究所的韩晓东教授和蔡吉祥博士、中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家实验室主任、中国科学院院士卢柯教授,和中南大学粉末冶金研究院院长、粉末冶金国家重点实验室刘咏教授。


文章来源:香港城大研创,标题由编者制作,内容有删减。


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