高強度、高韌性的有序金屬間化合物合金的突破

強度與延展性不可兼得一直是材料科學中的一個難題。一種材料的強度越高，其延展性和韌性就越低；換言之，堅固的合金難以變形或拉伸而不斷裂。城大工學院大學傑出教授、香港高等研究院資深院士劉錦川教授, 與他的團隊成員材料科學及工程學系助理教授楊濤博士，共同開發了一套創新的合金設計策略，來解決材料強度與韌性兼容的難題, 為制造在極端溫度和航空航天系統中使用的材料鋪平道路。劉教授解釋：“大多數傳統合金包含一種或兩種主要元素，如鎳和鐵。然而，我們發現通過在鐵-鈷-鎳（FeCoNi）合金中加入鋁和鈦形成大量沉澱顆粒後，金屬材料的強度和延展性都有顯著提高。”

劉教授及其團隊將研究成果發表在著名的《科學》雜志上，指出他們研制的高熵合金強度高達1.5吉帕，比FeCoNi合金堅固五倍，並且在室溫下延展性達50%。研究團隊進一步發現，加入“多組分金屬間納米粒子”可大大增強塑性變形的穩定性，避免了常見的早期頸縮斷裂問題。

劉教授認為，采用這種創新策略制造的新合金，能夠在-200°C低溫至1,000°C高溫的溫度範圍內都表現出良好性能，從而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定堅實的基礎。

在他們最近發表在《科學》雜志上的另一項研究中，劉教授的團隊成員發現在結構有序的多組元金屬間合金的晶界處形成無序的納米層，能有效解決強度與延展性不可兼得的矛盾。

通過在一種金屬間化合物合金中加入原子濃度為1.5-2.5的硼後，研究人員發現合成的合金中有序堆積的晶粒之間形成了獨特的納米級層。該研究的第一作者楊博士表示：“這一納米層在相鄰晶粒之間充當了緩衝帶，使晶界發生大面積塑性變形，從而在超高屈服強度水平下仍具有巨大的拉伸延展性。”

 

在晶界形成納米層後，合金表現出1.6吉帕的超高屈服強度，室溫拉伸延展性為25%，並在高溫下保持了合金的強度和良好的熱穩定性。

劉教授表示：“在合金中發現的這種無序納米層將促進未來高強度材料的發展，例如可用於高溫環境的結構材料，如航天、航空、核電和化學工程。”

劉教授、楊博士及其研究團隊將繼續致力於研究超高強度鋼、多元高熵合金、輕質材料以及納米結構材料的各種應用。

此文章收錄於CityU RESEARCH。