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刘锦川院士《Science》:强度1.6GPa,伸长率25%的超强韧合金

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在高温下具有高强度的合金,对包括航空航天在内的许多重要行业至关重要。具有有序超晶格结构的合金在这方面很有吸引力,但通常韧性差,晶粒粗化快。近日,香港城市大学的刘锦川院士团队发现,纳米级无序界面可以有效地克服以上问题。相关论文以题为“Ultrahigh-strength and ductile super lattice alloys with nanoscale disordered interfaces”于07月24日发表在Science上。

论文链接:

https://science.sciencemag.org/content/369/6502/427

原子紧密排列有序结构的合金是位于普通金属和硬陶瓷之间的一类结构材料,具有潜在的新机械性能。这些长程有序超晶格合金具有很强的化学结合能力和较低的原子迁移率,这使得它们在高温结构应用领域非常具有吸引力,可用于提高诸如航空航天、汽车、燃气涡轮发动机和许多其他行业的能源效率。自20世纪50年代以来,大量的努力致力于研究和开发大块有序合金。尽管已经取得了许多进展,但这些合金的广泛应用仍然难以实现,这在很大程度上受到环境温度下强度和延展性之间不可调和的冲突的限制。

当合金的晶体结构变得高度有序时,在环境温度下就很容易发生灾难性的脆性破坏,破坏合金最理想的性能。因此,大多数具有超高强度(GPa水平)的常规有序合金在拉伸变形过程中,会变得非常脆,而这严重限制了它们在结构上的潜在应用。例如,具有拓扑封闭结构(TCP)的合金(即,Laves-相有序合金)在高温下提供了可观的强度(或硬度),但它们的操作滑移系统数量不足,经受不住较大拉伸。在一些立方有序合金中,如二元Ni3Al、FeAl和NiAl等铝化物,存在可观的延展性,然而,它们的屈服强度在环境温度下仍然相当有限,在许多工程领域中还不够强。

此外,在高温下缺乏足够的热稳定性是它们实际应用的另一个问题。多晶合金在高温下通常不稳定。热驱动的结构不稳定性,如快速或异常的晶粒粗化和相关的软化行为,严重限制了它们在高温下的使用。一个解决办法是植入大的单晶体来解决这个问题,但是,这种技术需要一套极其复杂的工艺,且制造成本高,生产周期长。

在此,研究者通过可控地结合多种元素,采用电弧熔炼和热机械加工合成了Ni43.9Co22.4Fe8.8Al10.7Ti11.7B2.5[原子百分比(at %)]合金。此超晶格材料(SMs)具有纳米级无序界面(NDI-SMs),具有多晶形态(11.0 ± 7.5 mm的平均晶粒尺寸),具有由无序界面纳米层(DINL)包裹的微米级有序超晶格颗粒(OSG)的异常结构特征。此纳米层作为一个可持续的延展性源,通过增强位错的可动性来防止脆性晶间断裂。研究者获得的超晶格材料具有1.6 GPa的超高强度,在环境温度下的拉伸延展性为25%。同时,研究者实现了可以忽略的晶粒粗化,在高温下具有特殊的耐软化性。

刘锦川院士《Science》:强度1.6GPa,伸长率25%的超强韧合金

图1 超晶格材料不寻常的纳米级界面无序结构。

刘锦川院士《Science》:强度1.6GPa,伸长率25%的超强韧合金

图2 NDI-SMs的三维组成分布和纳米级界面共混。

刘锦川院士《Science》:强度1.6GPa,伸长率25%的超强韧合金

图3 NDI-SMs的机械性能和热稳定性。

刘锦川院士《Science》:强度1.6GPa,伸长率25%的超强韧合金

图4 塑性变形、微观机制和界面无序延化。

综上所述,研究者成功合成了超晶格合金的复合结构,特别是多元素共分离诱发的界面无序,可以用来设计高强度的超晶或纳米晶材料,具有增强的晶界稳定性和相应的抗粗化能力。这种方法应该适用于许多其他金属体系,特别是组成复杂的有序合金,有效克服了高温结构材料的相关缺点。这些超晶格材料将在航空航天、汽车、核能、化学工程等其他应用领域引起广泛的兴趣。(文:水生)

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