香港研發高強度/高延展性金屬間合金 可應用於航空航天/汽車等

2020-11-24 騰訊網

蓋世汽車訊 在高溫環境下，金屬間合金可能強度很高，但是在室溫和低溫環境中，其延展性就會很差，限制其應用於航空航天和其他工程領域。不過，據外媒報導，中國香港城市大學（City University of Hong Kong）領導的一個研究小組最近發現，在有序金屬間合金晶界處存在無序的納米層。此類納米層不僅能夠有效解決強度和延展性之間的矛盾，還能夠在高溫條件下，讓合金保持強度以及良好的熱穩定性。設計類似的納米層有可能為設計出具有最佳合金性能的新型結構材料開闢一條道路。

（圖片來源：香港城市大學）

與金屬一樣，金屬間合金的內部結構由稱為「晶粒」的單晶體構成。金屬間合金通常很脆，源於在拉伸變形時，會沿著晶界出現裂紋。在金屬間合金中加入硼元素是克服其脆性的傳統方法之一。研究人員之一的劉教授在30年前發現，在二元金屬間合金（由兩種元素構成）中加入硼，可以增強晶界內聚性，從而提升整體的延展性。

近年來，劉教授在研發大塊金屬間合金（也稱為超晶格合金，具有長程原子緊密排列的有序結構）方面也取得了許多重大進展。此類材料的強度很高，可應用於高溫結構應用，但在室溫條件下通常非常脆以及晶粒會快速粗化（即晶粒尺寸增長），而在高溫下晶粒又會快速軟化。在此次研究中，劉教授和他的團隊在多元素金屬間合金中研發了新型「界面納米無序化」策略，使其在室溫下具有高強度、高延展度以及在高溫下具有極佳的熱穩定性。

另一名研究人員表示：「最開始，我們試圖通過優化硼的含量來提高晶界的內聚性，並且預計，當增加硼的含量時，合金會由於其多元素成分而保持超高強度。」

根據傳統觀點，加入微量（0.1至0.5%）硼原子可增加晶界內聚性，顯著提高合金的拉伸延展性。但當加入過量的硼時，此種方法就不會有效果了。

令研究小組驚訝的是，當硼的濃度高達1.5%至2.5%時，摻雜了硼的合金變得非常堅固，但是延展性很好。實驗結果證明，含量為2%左右的硼對金屬間合金有很好的作用，讓其在室溫下的屈服強度高達1.6兆帕，延展性達25%。

該研究小組採用不同的透射電子顯微鏡進行研究發現，當硼的濃度達到1.5%至2.5%，相鄰有序晶粒之間形成了獨特的納米層。每個晶粒都被大約5納米厚的超薄納米層包裹，而且納米層本身就有無序的原子結構。在拉伸試驗中，納米層作為相鄰晶粒之間的緩衝帶，讓晶界發生塑性變形，從而在超高屈服強度下實現了較大的拉伸延展性。

該研究小組發現，硼含量的增加進一步增強了「多元素共分離」（multi-element co-segregation）現象，即多種元素沿著晶界分界。在香港城市大學先進3D原子探針層析成像技術的幫助下，研究人員在納米層中觀察到高濃度的硼、鐵和鈷原子。相比之下，鎳、鋁和鈦基本都被耗盡了。因此，此種獨特的元素分界導致納米層內部出現納米級無序化，有效抑制了沿著晶界產生的裂縫，提升了合金的延展性。

此外，在評估合金的熱響應能力時，該研究小組發現即使在1050°C的高溫下退火120個小時後，晶粒增加的尺寸也可忽略不計。這一點讓研究小組特別驚訝，因為大多數結構材料在高溫下，其晶粒尺寸通常都會快速增長，導致強度迅速下降。

研究人員認為，在納米層抑制晶粒尺寸增長以及保證其在高溫下的強度非常關鍵，無序納米層的熱穩定性可讓合金適合高溫結構應用。

劉教授表示：「在此種合金中發現無序納米層將對未來高強度材料的發展產生重大影響。而且，此種方法可用於高溫環境下的結構材料，如航空航天、汽車、核能和化學工程等領域的結構材料。」

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