科學家開發出一種新型金屬間化合物材料

 

新型晶界納米無序化超點陣合金(NDI-SMs)優異的力學性能和高溫穩定性

三維原子探針技術定量揭示晶界處在納米尺度下的多組元共偏聚行為 

近日，香港城市大學博士後楊濤、趙怡潞等在材料科學家劉錦川院士指導下，基於「晶界納米無序化」的設計思路，開發出一種高強度、高塑性、高熱穩定性的新型金屬間化合物材料（NDI-SMs）。這種獨特的「晶界納米無序層」結構與理念有望應用於更多的合金體系，尤其是多組元金屬間化合物合金系，為新型高強、高韌、耐高溫的結構材料及合金的開發提供了全新的設計思路。

7月24日，相關研究在《科學》上發表。

隨著人類奔月探火，對高強度、高韌性、耐高溫材料的需求也越來越迫切。然而，在過去的幾十年裡，大多數金屬間化合物以二元合金係為主，其在室溫下往往表現出非常嚴重的強度和塑性矛盾。如在高屈服強度（材料抵抗塑性變形的應力）下往往呈現出非常低的拉伸延伸率，易於發生過早的脆性斷裂，使其無法滿足實際應用的需求。部分金屬間化合物可以顯示出一定的拉伸塑性，但其室溫和高溫下的屈服強度卻很低。這也大大限制了其高溫條件下的大規模應用。因此，如何設計一種兼具高強度、高塑性、高熱穩定性的新型金屬間化合物合金，成為目前合金設計中最為嚴峻的挑戰。

傳統意義上的耐高溫金屬間化合物材料，如鎳三鋁（Ni₃Al）, 鎳鋁（NiAl）, 鐵鋁（FeAl）等合金，往往存在著低屈服強度問題。而高屈服強度（比如1GPa及以上）條件下通常會造成材料的嚴重脆化，尤其是沿晶界的脆性斷裂。另一方面，在高溫條件下，大多數材料會發生晶粒的快速長大和粗化，造成合金強度顯著下降，這進一步限制了它們在高溫環境中的應用。

「我們通過在多組元金屬間化合物體系中，引入獨特的『晶界納米無序層』，形成晶內有序而晶界無序的複合結構，同時解決了以上兩個核心問題，獲得了高強度、高韌性和高熱穩定性的綜合性能。」楊濤告訴《中國科學報》。

研究人員擺脫了傳統的高溫金屬間化合物合金的設計策略，專注於納米級的界面無序，這為調整微觀結構提供了一個全新的方向。通過協同調節大塊有序合金的結構和化學特徵，從而達到卓越的機械性能和特殊的熱穩定性。在電弧熔煉和熱機械加工時，研究人員在合金中加入少量的硼，開發出由無序界面納米層組成的「晶界納米無序層」包裹有序超晶格晶粒的複合結構。這大大提高了材料的延展性，同時有助於大大降低高溫條件下的晶粒粗化。這種新型的合金設計策略有望創造更加優異的綜合性能，將在航空航天、汽車、核能、化學工程和其他領域得到廣泛應用。

「該研究解決了傳統金屬間化合物材料中存在的兩個問題，對未來開發新型耐高溫結構材料提供了全新的設計思路。」楊濤說。（來源：中國科學報 張雙虎）

相關論文信息：https://doi.org/10.1126/science.abb6830

 

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