高强度、高韧性的有序金属间化合物合金的突破

强度与延展性不可兼得一直是材料科学中的一个难题。一种材料的强度越高，其延展性和韧性就越低；换言之，坚固的合金难以变形或拉伸而不断裂。城大工学院大学杰出教授、香港高等研究院资深院士刘锦川教授, 与他的团队成员材料科学及工程学系助理教授杨涛博士，共同开发了一套创新的合金设计策略，来解决材料强度与韧性兼容的难题, 为制造在极端温度和航空航天系统中使用的材料铺平道路。刘教授解释：“大多数传统合金包含一种或两种主要元素，如镍和铁。然而，我们发现通过在铁-钴-镍（FeCoNi）合金中加入铝和钛形成大量沉淀颗粒后，金属材料的强度和延展性都有显著提高。”

刘教授及其团队将研究成果发表在著名的《科学》杂志上，指出他们研制的高熵合金强度高达1.5吉帕，比FeCoNi合金坚固五倍，并且在室温下延展性达50%。研究团队进一步发现，加入“多组分金属间纳米粒子”可大大增强塑性变形的稳定性，避免了常见的早期颈缩断裂问题。

刘教授认为，采用这种创新策略制造的新合金，能够在-200°C低温至1,000°C高温的温度范围内都表现出良好性能，从而为进一步研发低温设备、飞机和航空高温系统以及其他领域的结构用途奠定坚实的基础。

在他们最近发表在《科学》杂志上的另一项研究中，刘教授的团队成员发现在结构有序的多组元金属间合金的晶界处形成无序的纳米层，能有效解决强度与延展性不可兼得的矛盾。

通过在一种金属间化合物合金中加入原子浓度为1.5-2.5的硼后，研究人员发现合成的合金中有序堆积的晶粒之间形成了独特的纳米级层。该研究的第一作者杨博士表示：“这一纳米层在相邻晶粒之间充当了缓冲带，使晶界发生大面积塑性变形，从而在超高屈服强度水平下仍具有巨大的拉伸延展性。”

在晶界形成纳米层后，合金表现出1.6吉帕的超高屈服强度，室温拉伸延展性为25%，并在高温下保持了合金的强度和良好的热稳定性。

刘教授表示：“在合金中发现的这种无序纳米层将促进未来高强度材料的发展，例如可用于高温环境的结构材料，如航天、航空、核电和化学工程。”

刘教授、杨博士及其研究团队将继续致力于研究超高强度钢、多元高熵合金、轻质材料以及纳米结构材料的各种应用。

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