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Nature封面报道高熵合金:更强、更韧、更具延展性

2016-05-23 09:00:05
作者:本网整理
来源:材料牛

5月18日,Nature封面报道了新加坡自由撰稿人XiaoZhi Lim的一篇题为《Mixed-up metals make for stronger, tougher, stretchier alloys》(混合金属制造更强、更硬、更具延展性的合金),介绍高熵合金相关进展。

    5月18日,Nature封面报道了新加坡自由撰稿人XiaoZhi Lim的一篇题为《Mixed-up metals make for stronger, tougher, stretchier alloys》(混合金属制造更强、更硬、更具延展性的合金),介绍高熵合金相关进展。


    高熵合金概念由台湾科学家叶均蔚于1995年提出的。高熵合金含有多种主要元素,每种元素介于5%-35%之间。传统金属则是以一种元素为主,而高熵合金是多元素共同作用的结果。所以高熵合金是一种颠覆数千年以来的合金制备方法。与传统合金相比,高熵合金表现出更高的强度、硬度、耐磨性、耐腐蚀等等。


    但是,高熵合金的机理及其科学问题尚未得到很好的理解。目前的高熵合金体系也只是通过“鸡尾酒”方法调配而成, 还没有科学系统的选择合金元素的理论。

 

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    咋眼一看,这个设备更像是在建造一个微型景观。一圈喷嘴对从四个喷管喷出的金属粉末加热,形成往下的光束。混合物进而凝聚成晶粒,形成一个逐步生长的柱状合金。当合金有2厘米高时,平台将其托到一遍,设备接着建造另一个。整个结果看起来是一个摩天大楼模型。


    这些金属柱子由位于Lowa的美国Ames国家实验室建造,它反应了科学家们在对待合金上的重大改变。


    制造合金的标准配方技术从远古铸剑到制造现代制造发动机引擎叶片一直在沿用,也就是将有用的金属并混合一系列提升性能的东西,例如在铁中加碳制成钢。


    但Ames的设备正在制造高熵合金实验样品,它由四个、五个,甚至更多的元素以严格的相同的比例混合而成。这种简单的配方可以出产那些比传统材料更轻、更强的合金,并且更耐腐蚀、耐辐照等等。最终,研究者们希望这个方法能够出产与以往完全不同的磁性或电性能的合金,并形成新一代技术。


    北京科技大学新金属国家重点实验室张勇认为“我们几乎已经探索过传统金属的所有方面,而对于高熵合金这方面的研究是全新的。”高熵合金尚未从实验室推广到市场,不过有研究者们正在朝这方面努力,期望在高温炉衬和超轻型航天材料等方面获得潜在应用。而这些领域同样在中国、欧洲、美国等地获得了资金支持。


    帕特森空军基地实验室材料科学家Daniel Miracle认为“”我们并不是在谈论一种材料,而是上升到如何混合元素的哲学。“


    找到新而激动的东西的机会是很高的。去年,他和同事们估计过从一组26个元素中,抽取3、4、5、6种金属元素等量混合,可得到大约313560种合金。更大的数量的合金可以扩展元素的选择得到。


    但德国波鸿鲁尔大学的材料工程师Easo Georg认为并不是所有的混合都能奏效。科学家们仍在研究哪些是有效而哪些不是。他认为”可探索的空间仍然是非常巨大的,而我们目前只看到一小部分宇宙。“


    高熵合金的想法是1995年Jien-Wei Yeh提出来的。Yeh认为,传统合金的物理性能已经得到了很好的研究,在原子层面上,纯金属有规律的晶体结构,由理想原子一层堆一层堆出。有时,这些层相互之间很容易滑动,表现到金属就是非常软而不能用。这就是纯金仅仅只能用在珠宝上。但是金属中添加了不同原子尺寸的元素之后,加入者随机地阻止原子层,降低了滑动趋势,从而创造了更硬的合金。精确的混合物可以让冶金学家调控诸如腐蚀性能或者熔点等等性能。


    但是Yeh同样提示了潜在的复杂性。如果太多的元素加入进去,原子相对于层而言不再随机,进而转变成主要金属原子,成为规律性排布,让混合物变脆。


    因此,这给了他一个观点,与其一种主要材料混合少量的一到两个元素,为什么不用四到五个甚至更多的元素以相同的比例混合?不同的原子有大量的可能性排列,从而导致错乱,或者高熵,如此消除了任何形成规律性能晶体结构的倾向。因为每一种随意的混合元素都是不同尺寸的,不太可能相互滑动,从而创造出非常硬的材料。

 

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    当然,这在当时是一个很奇怪的想法,即使在自己的实验室Yeh也未将之放到一个很高的优先级上。直到2004年他的研究团队第一次报道了混合五到十种元素,得到的合金比不锈钢更硬。其他团队也在同期宣布得到了相近的结果。


   
选择太多了


    高熵合金领域得到了快速发展。在2009年张勇报道了一种含钴、铬、铜、铁、镍、铝的合金,比纯铝强十四倍,韧性是将近三倍。2011年,Yeh报道了钴、铬、铁、镍、铝、钛合金的抗磨性能是普通抗磨钢的两倍。2014年,George及其团队研究的钴、铬、铁、镁、镍合金在液氮温度下也不会变脆。这个材料在低温设备、天然气管道和航天器等低温设备上使用。


    大量的可能性是高熵合金的优点,但也是研究者们最大的挑战。Miracle认为,元素周期表上超过80种合金元素,有太多的合金而无法一一测试,也没有足够的时间。


    在为航空器引擎和航天框架研究高熵合金,他在搜寻更轻、更耐腐蚀,并能在高温下保持强度。经过大量测试,Miracle将范围缩小到铌、钽、铬等金属,它们的熔点很高。


    另一个战略是复制目前已经了解的合金的性能。例如,有些钢不仅仅是随机混合原子,在快速冷却时形成了小型的化合物。尽管这种化合物的稳定性不如随机混合结构,但表现出比钢更高的弹性。MIT金属学家Cem Tasan曾经将铁、镁、钴、铬混合进高熵合金,得到了极度的高硬度和高弹性,而这两个性能看起来似乎是完全相反的。Tasan 认为”放弃任何我们知道的知识是不明智的“。


    Ames中的迷你摩天楼意味着另一种更系统化的方法。Ames的设备可在不到一个小时内建造30个合金柱,每一个的原材料只有细微的差别,如此研究者们可以快速的测试合金的性能。


    Ames材料科学家Matthew Kramer正在主导一个研究:寻找可以抵御高温和腐蚀的高熵合金,以帮助火电厂在高温下更有效运作。


    而协助他的团队的是Ames的理论学家Duane。在1995年,Johnson发明了一套运算法则,在传统合金制造出来之前预测性能。2015年,他扩展了适用高熵合金的运算法。Johnson的法则评定一个元素到何种程度就会被另一个吸引或者排斥,然后利用这个信息预测元素的混合是形成化合物、固溶体或两者都有。如此让Kramer的团队确定哪种合金值得一试,进而实验数据反馈给程序以修正,提高准确性。


    高熵合金领域前进道路上有大量障碍。目前关注点是提高结构性能,但对于特殊功能性能合金则没有多少工作在做。


    尽管如此,还有大量的可能性需要探索,尤其是科学家们开始扩展最初的高熵合金的界定。例如,张在将碳、氮、硅混合进合金以研发新型的高温陶瓷,用于光伏。不仅如此,包括Tasan、Yeh在内,开始实验混合大量元素但不是等比例的效果。初步结果显示大多数合金仍然保持了高熵合金的性能。例如,Yeh测试了一种抵御擦伤的新型超硬材料,50%的氮、碳或者氧,以及一些其他元素如铝、硅或者钛组成,可用于机器部件和切割工具上的涂层。


    George认为”我们现在有更丰富的领域要探索了。“


    原文参考地址:http://www.nature.com/news/mixed-up-metals-make-for-stronger-tougher-stretchier-alloys-1.19942#/tough

 

 

 

 

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责任编辑:刘洋

标签: 高熵合金, 进展, 强度, 硬度, 耐磨性, 耐腐蚀

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