News Release

極堅固而具韌性的多組元合金面世

克服結構材料強度和延展性不相容的關鍵難題

Peer-Reviewed Publication

City University of Hong Kong

New Alloy Al<sub>7</sub>Ti<sub>7</sub>

image: The new alloy Al<sub>7</sub>Ti<sub>7</sub> exhibits a superior strength of 1.5 gigapascals and ductility as high as 50 percent in tension at ambient temperature. view more 

Credit: City University of Hong Kong

由香港城市大學(城大)領導的一支研究團隊,研發了全新的策略製造高強度合金。這種合金極之堅固,兼具延展性和韌性,克服了強度和延展性不相容這個棘手難題,為未來研發創新的結構材料掃除障礙。

多主元合金,通常稱為高熵合金(High-entropy alloys,簡稱HEAs),是由五種或更多種等量或相近等量的金屬製成的新型材料。由於這種合金在結構應用方面具有很大潛力,因此目前在材料科學和工程領域備受關注,成為研究的重點。然而,大多數合金都有同一樣的關鍵缺點:合金的強度越高,延展性和韌性越小,即是堅固的合金較難變形或拉伸而不斷裂。

不過,由城大材料科學與工程學系、大學傑出教授劉錦川領導的一項研究,最近取得突破,為這個糾結了數十年的難題找到解決方法:透過納米級顆粒大量沉澱,製造既堅固且具延展性的高熵合金。這項尖端研究剛在最新一期的頂尖學術期刊《科學》(Science)發表,題為「多組元金屬間納米顆粒和複合合金的優越機械性能(Multicomponent intermetallic nanoparticles and superb mechanical behaviors of complex alloys)」。

找出強度和延展性兼具的平衡

劉教授說︰「我們能夠製造一種名為Al7Ti7 ((FeCoNi)­86-Al7Ti7)的新型高熵合金,在室溫下強度達1.5 GPa(gigapascal),延展性則達50%。透過納米顆粒的強化,這種新合金比以鐵、鈷、鎳(FeCoNi)製成的合金堅固五倍。」

「大部分常見的合金由一至兩種主要元素,如鎳和鐵來製造。然而,透過在鐵鈷鎳合金中加入鋁和鈦,形成大量沉澱顆粒,我們發現合金的強度和延展性都顯著提高,解決了結構材料兩者難以兼得的關鍵問題。」劉教授解釋說。

此外,高強度合金在塑性變形的過程中通常出現不穩定的狀況,即頸縮(necking)問題,也就是說當合金受高拉伸力時,其變形變得不穩定,很容易出現頸縮斷裂(局部變形),只能作有限的均勻伸長。可是,研究團隊進一步發現,加入「多組元金屬間納米顆粒」,即由不同元素原子組成的複合納米顆粒,可以改善變形的不穩定性,大大提升合金的均勻變形能力。

解決「變形和脆化」問題

團隊並已找出由鎳、鈷、鐵、鈦和鋁原子組成的複合納米顆粒的理想配方。劉教授解釋,每個納米顆粒只有30至50納米的大小,以鐵和鈷原子取代部分鎳,有助降低「價電子」 (valence electron)的密度,增強新合金的延展性;另一方面,用鈦取代部分鋁,則大大減低空氣中的水分令這種新型堅固合金出現脆化的機會。

「這項研究為製造超級合金開拓了一種創新的設計策略,透過採用多組元納米顆粒來強化複合合金,從而在室溫和高温下達至優越的機械性能。」劉教授說。

他相信,採用這種創新策略製造的新合金,可由零下200度以至1,000度高温的溫度範圍內都表現良好性能,這些新合金將為進一步研發低溫設備、飛機和航空高溫系統以及其他領域的結構用途奠下穩建的基礎。

劉錦川教授是本篇論文的通訊作者,他的博士生、現任城大材料科學與工程學系高級助理研究員楊濤是第一作者。其他共同作者包括城大機械工程學系和先進結構材料研究中心的開執中講座教授、助理教授胡琪怡博士、博士後研究員趙怡潞、仝陽和魏傑、和博士生陳達,以及香港理工大學機械工程學系助理教授焦增寶博士、北京工業大學固體微結構與性能研究所的韓曉東教授和蔡吉祥博士、中國科學院金屬研究所瀋陽材料科學國家實驗室主任盧柯教授,和中南大學粉末冶金研究院院長、粉末冶金國家重點實驗室劉詠教授。

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