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高熵合金有啥前沿研究?
发布:lee_9124   时间:2019/10/23 22:22:21   阅读:158 
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引言:金属材料对于现代社会的意义,就如同骨骼对于人体,是支撑起人类文明的“脊梁”,而如何提高金属结构材料的强度一直是研究者关注的焦点。高熵合金打破传统金属以单一元素作为主元的限制,其成分的可设计性和可调节性有利于形成特殊的微观组织结构,进而获得超高的强度,因此成为近年来金属材料领域研究热点之一。上两期我们对高熵合金的概念、特点、性能及应用等方面都有了初步的认识,这一篇请大家继续跟随小编看一看学术界在高熵合金领域的探索。
 
1、北理工材料学院在《自然·通讯》发表超高强高熵合金研究成果。
 
 
 
北京理工大学材料学院王富耻、王鲁教授团队,薛云飞课题组在国际顶级学术期刊《NatureCommunications》上发表了题为《High-content ductile coherentnanoprecipitates achieve ultrastrong high-entropy alloys》的研究论文。该研究创新了高熵合金设计理念,利用不同强化机理,开发出了超强高熵合金。
 
现代高技术战争具有空间广阔、高速度、全天候、全时域、强毁伤等特点,先进武器装备对材料性能提出了更高的要求,开发超高强韧的新型合金是增强武器装备毁伤与防护能力、实现武器装备轻型化设计、提高运载平台灵活性、提升恶劣环境可靠性的关键途径之一。高熵合金是近年来金属材料领域的重大发现之一。与传统金属材料主要以一种元素为主不同(如钛合金和钢铁),高熵合金通常包含至少四种比例相近的合金元素,其独特的合金设计理念可以体现出多种元素的集体效应,往往具有新颖的结构和优异的综合性能,已经受到航空航天、船舶、核能、汽车及电子等关键领域的广泛关注。然而,由于设计理念的限制,现有高熵合金强度难以进一步获得有效提升,直接制约其工程应用。
 
 
 
合金独特的调幅纳米结构图为了进一步提升高熵合金的强度,同时还保有足够的韧性及高熵合金独特的优势,研究团队经过长期攻关,创新合金设计理念,成功在高熵合金中引入大量纳米强化相并获得一种独特的纳米调幅结构。该结构可通过多重机制,提供有效强化,贡献超过560%的强度增加。
 
 
 
这一新型超高强高熵合金不仅具有超高的强度(1.9GPa,接近传统钛合金的两倍)和良好塑性,还具有比传统钢铁材料密度低、耐蚀性好等优势,能满足先进武器装备对材料性能的苛刻需求,展现出切实的应用潜力。
 
这一原创性成果在极大提升高熵合金强度的同时,仍能保持良好的塑性和加工硬化能力,不但大幅度提高高熵合金的综合性能,进一步拓展了可能的工程应用领域,其创新设计理念还能为高熵合金的设计提供更多的可能性,为开发兼具超高强度和塑性的高熵合金开辟新的途径。
 
2、香港城市大学(香港城大)团队早前成功研发名为Al7Ti7((FeCoNi)86Al7Ti7)的新型高熵合金。
 
谁说强度和延展性不可以相容?香港城市大学(香港城大)团队早前成功研发名为Al7Ti7 ((FeCoNi)86Al7Ti7)的新型高熵合金,这种高熵合金在室温下强度达1.5GPa(gigapascal),延展性达50%。透过纳米颗粒的强化,此高熵合金强度和以往以铁、钴、镍(FeCoNi)制成的合金相比,足足坚固5倍。它不但坚固,而且兼具延展性和韧性,攻破了强度和延展性不相容这个棘手难题,为未来研发创新的结构材料扫除障碍。
 
香港城大材料科学与工程学系刘锦川教授领导的一项研究,最近取得了突破,他们提出,透过纳米级颗粒大量沉淀,制造既坚固且具延展性的高熵合金。大部分常见的合金由一至两种主要元素,如镍和铁来制造。然而,我们发现通过在铁钴镍合金中加入铝和钛,形成大量沉淀颗粒后,这种新型高熵合金的强度和延展性都显著提高,解决了结构材料中两者难以兼得的关键问题。
 
此外,高强度合金在塑性变形的过程中通常出现不稳定的状况,即颈缩(necking)问题,也就是说当合金受高拉伸力时,其变形会变得不稳定,很容易出现颈缩断裂(局部变形),只能作有限的均匀伸长,在香港城大材料科学及工程学系、大学杰出教授刘锦川教授的领导下,团队发现,加入「多组元金属间纳米颗粒」,即由不同元素原子组成的复合纳米颗粒,可以改善变形的不稳定性,令这种新型高熵合金的均匀变形能力大大提升。
 
这项尖端研究已经在顶尖学术期刊《科学》(Science)发表,题为《多组元金属间纳米颗粒和复合合金的优越机械性能》(Multicomponent intermetallic nanoparticles and superb mechanicalbehaviors of complex alloys)。
 
这项研究为制造超级合金开拓了一种创新的设计策略,通过采用多组元纳米颗粒来强化复合合金,从而让新型合金在室温和高温下达至优越的机械性能。这种创新策略制造的新型高熵合金强度和延伸度表现优秀,能够在摄氏零下200度低温至1,000度高温的温度范围内都展示出良好性能,这些新合金将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稳健的基础。
 
3、华南理工制备出目前断裂强度最高的高熵合金,成果在Science子刊发表。
 
 
 
Science杂志子刊Science Advances在线发表题为“A high-entropy alloy with hierarchical nanoprecipitates andultrahigh strength”(一种具有多级纳米析出和超高强度的高熵合金)的研究论文。华南理工大学机械与汽车工程学院陈维平教授与加州大学欧文分校Enrique J. Lavernia教授为共同通讯作者,陈维平教授2015届博士付志强为第一作者。该研究以华南理工大学(第一单位)广东省金属新材料制备与成形重点实验室和加州大学欧文分校为依托,完成了材料的制备、性能测试与表征。
 
该研究利用高熵合金设计理念,采用近净成形工艺,短流程制备出一种具有多级共格析出纳米颗粒增强的块体高熵合金。单一主元的传统金属材料结构(例如:镍基高温合金),通常只能获得一级析出相。而高熵合金成分的多主元性,使其析出相通常也表现出多主元的成分特性。通过巧妙的成分设计和恰当的制备工艺,便能在该类合金的析出相上再析出更加细小的纳米析出相,最终形成多级纳米析出相,进而极大地发挥析出强化效果。
 
该研究所制备的Fe25Co25Ni25Al10Ti15高熵合金,展现出超高的室温拉伸性能,其断裂强度高达2.52GPa,是目前断裂强度最高的高熵合金。该新型高熵合金获得超高强度的原因,不仅是因为极大地发挥了析出强化效果,还有晶界强化和硬质bcc相的辅助作用。该研究中所阐述的多级纳米析出强化理论也为今后新型高强韧合金的设计,提供了新的思路。
 
4、上海交通大学材料学院2014届博士毕业生李志明在《Nature》发表新型双相高熵合金的重要研究成果
 
 
 
上海交通大学材料科学与工程学院高性能金属研究所2014届博士毕业生李志明在新型双相高熵合金的研究取得重要进展。相关成果发表在5月18日刊出的《Nature》上,论文题目为“ Metastable high-entropy dual-phase alloys overcome the strength-ductilitytrade-off ”。
 
 
 
以往高熵合金领域的研究集中于通过多主元成分设计使系统熵值最大化,以稳定单相结构为设计目标。然而该论文研究打破单相稳定高熵合金的设计思路,通过调控合金成分降低合金中相稳定性,获得双相高熵合金,其各相中成分完全相同且分布均匀。该新型双相高熵合金具有非常显著的应变硬化能力,从而显示出强度与塑性的同时提升。该研究中所提出的亚稳工程策略将为今后新型高熵合金的设计提供重要指导。
 
5、上海电机学院材料学院在亚稳态高熵合金材料领域取得最新研究成果
 
上海电机学院材料学院李荣斌教授团队及其研究生在高熵合金热扩散阻挡层、抗辐照性能材料制备及机理的研究方面取得了重要成果,以“Multi-component AlCrTaTiZrMo-nitride film with high diffusionresistance in copper metallization”和“The effects ofphase transformation on the microstructure and mechanical behavior ofFeNiMnCr0.75Alx high-entropy alloys”为题近期分别发表在知名期刊《Journalof Alloys and Compounds》(影响因子为3.133)、《Materials Science & Engineering A》(影响因子为3.094)。以上期刊为工程技术领域的重要期刊。
 
小结
 
高熵合金(HEAs)材料应用前景广阔,学术界对其兴趣浓厚而持续,尽管大多数HEA的元素比例相等或近等,但其性能在该比例下并非最佳。高熵合金的研究发展至今,更多的学者和团队参与到对高熵合金的研究中来,并积累了越来越多的研究成果。相信未来学术界会为高熵合金应用范围的不断扩大以及其工业价值不断提高做出更多的贡献。
 

来源:材料人网
 
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