材料学家加紧研发下一代合金:更硬更韧更延展
时间:2017-12-07

  材料科学家加强对下一代合金的研究和开发:越来越难以延伸 - 科学网

  乍看之下,这个设备就像一个在建的微型景观。一圈喷嘴加热从四个喷嘴发出的金属粉末,形成向下的光束,使碰撞的颗粒渗出。然后,混合物结合成晶粒,形成小柱状合金的逐渐生长。一旦合金柱达到2厘米高,平台移动到一边,然后设备建立另一边。

  一瞥一瞥

  事实上,这些金属柱出生在美国爱荷华州艾姆斯实验室,反映了科学家对合金的重大变化。制造合金的标准技术从现在使用的古剑到发动机叶片,有用的金属是混合的用一系列的东西来提升他们的表现,比如碳素钢铁。

  然而,该装置正在制造高熵合金实验样品,其通过以严格比例混合45种或更多元素而制成。这种看似简单的配方可以生产比传统材料更轻,更坚固的合金,并且更耐腐蚀,更耐辐射。最终,研究人员希望这种方法能产生从未见过的磁性或电子合金,并创造出新一代的技术。

  北京科技大学新金属国家重点实验室张勇认为,我们已经探索了传统金属的几乎所有方面,高熵合金的研究是全新的。虽然高熵合金还没有从实验室扩展到市场,但研究人员正期待着在高温衬里和超轻型航天材料中的潜在应用。

  美国帕特森空军基地实验室的材料科学家丹尼尔·奇迹(Daniel Miracle)认为,我们不是只谈论一种材料,而是谈论如何混合元素的哲学。找到新的和令人兴奋的东西的机会是很高的。去年,他和他的同事估计,混合三种,四种,五种和六种金属元素,从一组26种元素中共混合313560种不同的合金。

  但是,德国波鸿鲁尔大学的材料工程师Easo Georg认为,并非所有的混合工作。科学家们仍在研究什么是有效的,什么不可行。他认为,可以探索的空间仍然很大,目前我们只能看到宇宙的一小部分。

  更轻更强

  高熵合金的概念是由中国台湾科学家叶军伟于1995年提出的。叶军伟认为,传统合金的物理性能已得到很好的研究,在原子水平上,具有规则晶体结构的纯金属原子层堆积起来。有时候,这些层次之间容易滑动,表明金属非常柔软和无法使用,这就是为什么纯金只能用在珠宝上。但是,在金属中添加不同原子尺寸的元素会降低滑动的趋势,从而形成较硬的合金。确切的混合物允许冶金学家控制合金的腐蚀或熔点。

  但叶伟也认识到了这个潜在的复杂性。如果添加太多元素,混合物会变脆。于是,他发现把一种或两种元素与他的主要材料中的一种混合起来,为什么不用四,五种或更多的元素来混合呢?不同的原子排列着大量的可能性,使得高熵出现,从而消除了形成规则晶体结构的任何趋势。因为每个元素的随机混合在大小上是不同的,所以不太可能相互滑动,产生非常硬的材料。

  当然,这当时是一个奇怪的想法,叶伟伟甚至在自己的实验室里也没有把它放在首位。这是2004年的第一次,它的团队混合了5到10个元素来获得比不锈钢更硬的合金。

  高熵合金领域正在迅速发展。 2009年,张勇报道钴,铬,铜,铁,镍,铝合金比纯铝硬14倍,韧性近3倍。 2011年,叶军伟报道钴,铬,铁,镍,铝,钛的耐磨性能是普通耐磨钢的两倍。 2014年,乔治和他的团队研究的钴,铬,铁,镁和镍合金在液氮温度下不会变脆。该材料适用于天然气管道和航天器等低温设备。

  此外,美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室与橡树岭国家实验室合作开发了一种称为铬锰铁钴镍的高熵合金,该合金不仅被测试为最难的材料之一目前可用,低温强度,延展性但增加。

  研究人员表示,铬锰铁钴镍合金在低温下能表现出非凡的强度,延展性和硬度,关键在于纳米结合效应,即在变形过程中,相邻晶格区的原子排列与彼此镜像结构。伯克利实验室材料科学家罗伯特·里奇(Robert Ritchie)表示:“这表明除了在环境温度下大部分金属具有平滑的错位机制之外,还有一种可塑性机制。在低温下,材料发生塑性变形,产生纳米导致连续的机械硬化,从而抑制早期损坏造成的局部变形。

  传统的合金制造方法的一个不变的特征是一个元素是主要成分,其余的是少量的,其机械性能通常取决于第二相的外观。高熵合金从根本上违背了传统方法,其性质不是来自合金或第二相的各个组分。里奇表示,高熵的概念意味着随着合金成分的增加,形状熵也增加,这也抵消了它们形成化合物成为单相材料如纯金属的趋势。

  选择太多

  大量的可能性是高熵合金的优点,但也是研究人员面临的最大挑战。 Miracle认为,周期表上有80多种金属元素,要测试的合金太多,没有足够的时间来测试。

  在研究航空发动机和飞机的高熵合金时,他正在寻找更轻,更耐腐蚀的材料,并在高温下保持其强度。经过大量的测试,Miracle由于熔点高而缩小了铌,钽和铬等金属的范围。

  Ridge还指出,Cr-Mn-Co和其他高熵合金的力学性能尚未得到优化,可能具有更好的性能。由于高熵合金是单相的,我们推测它们可能是低温下使用的理想材料,如液化天然气,氢气和氧气。他说。

  此外,科学家正试图重复迄今为止已经很好理解的合金性能。例如,一些钢不仅是随机的原子混合物,而且在快速冷却时还会形成小的复合结节。虽然这种化合物不像无规共混物那样稳定,但它比钢有更高的弹性。麻省理工学院金相学家杰姆·塔桑(Cem Tasan)将铁,镁,钴和铬混合成高熵合金,达到了极高的硬度和弹性水平,其性质恰恰相反。放弃任何我们知道的知识,Tasan不认为是明智的。

  艾姆斯实验室的迷你摩天大楼意味着更加系统化的方法,该设备可以在不到一个小时的时间内建立30个合金柱,每个柱子只有原材料的细微变化,因此研究人员可以快速测试合金的性能。科学家Matthew Kramer正在领导一项研究,寻找能抵抗高温和腐蚀的高熵合金,以帮助火力发电厂在高温下更有效地运作。

  实验室理论家Duane Johnson负责这个团队。 1995年,约翰逊发明了一套算法来预测传统合金在制造之前的性能。 2015年,他拓展了高熵合金的算法。约翰逊的算法评估一个元素被另一个元素吸引或排斥的程度,然后使用这些信息来预测元素的混合形成复合物,固溶体或者两者兼而有之,从而使克莱默团队能够确定哪种合金是值得的然后将实验数据反馈给约翰逊校正算法并提高精度。

  目前在高熵合金方面存在很多障碍。人们直接关心的是提高结构性能,但对于导电或磁性等特殊功能合金却不被重视。

  尽管如此,仍然有很大的可能性来探索,特别是当科学家开始扩大高熵合金的原始定义。包括Tasan和Ye Wei-wu在内的许多科学家都在尝试混合大量的元素,但不是模棱两可的元素。初步结果表明,大多数合金仍然保留高熵合金的性质。

  我们现在有更丰富的领域去探索。乔治说。 (张章)

  “中国科学”(2016-06-23第3版国际)