製作高強度兼延展性合金的新策略

 

香港城市大學（城大）領導的團隊研發出新策略，可製造出含無序界面納米層的多組元超晶格合金，這種合金於不同溫度下兼具高強度及延展性。

研究結果已在頂尖學術期刊《科學》上發表，論文題為「超高強度及延展性：含納米級無序界面的超晶格合金」。

超晶格合金的原子為密排及有序的結構，具備良好的化學結合強度及低原子流動的特質，因此適宜應用於高溫環境使用的結構材料，如航天、汽車、燃氣渦輪發動機等工程領域及許多其他行業。

不過，其高度有序的結晶結構卻令超晶格合金易於斷裂。

由城大工學院大學傑出教授劉錦川教授領導的研究團隊，發現了解決上述矛盾的新方法。

根據傳統智慧，添加微量（0.1至0.5原子百分數，即atomic percent，以at. %標示）的硼可以增強晶粒邊界（晶界）黏聚力，從而顯著改善拉伸延展性。不過，若添加多於0.5 at. %的硼，這個傳統方法則不會見效。研究團隊想出在多組元合金添加大量的硼，結果出乎他們意料之外。

劉教授說：「添加硼濃度至2.5 at. %後，我們合成的合金沿着晶界出現一層超薄的無序界面納米層。」

該超薄納米層含有數種基本合金元素，原子結構是無序的，抑制了晶粒與晶粒之間變脆斷裂。

 

 

超晶格合金的基本結構是由被稱為「晶粒」的個別晶體組成。這類合金常見的脆性斷裂，通常是由於在拉伸變形過程中，沿着晶界發生斷裂所致。

劉教授說：「我們研製的超晶格合金在室溫下具有1.6 GPa的超高強度和25%的拉伸延展性，其延展性遠高於預期。」GPa（十億帕斯卡）為壓力單位。

此外，研究團隊發現即使在1050°C的高溫處理120小時後，晶粒尺寸增大的程度也不明顯，可說是微不足道。

在高溫下，大部分傳統結構材料的晶粒會快速增大，使結構因受熱而變得不穩定，材料強度隨之急降，嚴重影響其應用。

研究團隊認為，這種納米層對於在高溫下抑制晶粒增大及保持其強度至關重要。無序納米層的熱穩定性，令這種合金適合用作高溫環境下的結構材料。

發現合金中沿晶界的無序納米層，有利未來研發高強度材料，並為進一步提升合金性能開拓新方向。

劉教授是論文的通訊作者。論文的共同第一作者是城大機械工程學系的楊濤博士和趙怡潞博士。其他來自城大的共同作者包括：材料科學講座教授兼香港高等研究院執行院長黃志青教授、核子工程講座教授開執中教授、材料科學及工程學系李萬鵬、以及三維原子探針聯合研究實驗室欒軍華博士。