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在金属间合金中发现无序纳米层

信息来源:星火计划 发布时间:【2020-08-15 】 点击次数:
金属间合金在高温环境中可能具有高强度。但是它们通常在环境温度和低温下具有较差的延展性,因此限制了它们在航空航天和其他工程领域的应用。然而,由香港城市大学(CityU)科学家领导的研究小组最近发现了有序金属间合金中晶界处无序的纳米级层。纳米层不仅可以有效地解决强度和延性之间不可调节的冲突,而且可以在高温下以出色的热稳定性维持合金的强度。设计相似的纳米层可以为设计具有最佳合金性能的新结构材料开辟道路。
HAADF-STEM图像显示出晶界处的超薄无序层,厚度约为5nm。学分:科学 DOI:10.1126 / science.abb6830
这项研究由城大大学杰出教授,香港高等研究院高级研究员刘承全教授领导。这些发现刚刚发表在著名的科学杂志《科学》上,标题为“ 具有纳米级无序界面的超高强度和韧性超晶格合金 ”。
 
就像金属一样,金属间合金的内部结构由称为“晶粒”的单个晶体区域组成。金属间合金中通常的脆性通常归因于在拉伸变形期间沿其晶界的裂纹。向金属间合金中添加硼元素是克服脆性的传统方法之一。刘教授实际上是30年前研究这种方法的人之一。那时,他发现向二元金属间合金(构成两个元素,如Ni 3 Al)中添加硼可增强晶界凝聚力,从而提高其整体延展性。
 
令人惊讶的实验结果
 
近年来,刘教授在开发块状金属间合金(金属间合金也称为超晶格合金,以远距离,原子紧密堆积的有序结构构造)方面取得了许多重大进展。这些具有良好强度的材料在高温结构应用中具有很高的吸引力,但通常在环境温度下会遭受严重的脆性,并且在高温下会快速晶粒粗化(即晶粒尺寸增大)并软化。因此,这次,刘教授及其团队在多元素金属间合金中开发了新颖的“界面纳米级无序”策略,该策略可实现高强度,在室温下具有较大的延展性,并在高温下具有出色的热稳定性。
(A)使用3D-APT重建的原子图显示了每个元素的分布。纳米层中的铁(Fe),钴(Co)和硼(B)富集(颜色更深),而镍(Ni),铝(Al)和钛(Ti)相应地被耗尽(颜色更浅) 。(B)和(C)也显示相同的结果。学分:科学 DOI:10.1126 / science.abb6830
城大机械工程学系(MNE)和IAS的博士后研究员Yang Tao博士说:“我们最初试图做的是通过优化硼的含量来增强晶界内聚力。该论文的共同第一作者。“我们期望,随着我们增加硼的含量,该合金将由于其多元素成分而保持超高强度。”
 
 
 
根据常规观点,添加痕量的硼(0.1至0.5原子百分比(原子%))可通过增加晶界内聚力来显着提高其拉伸延展性。当添加过量的硼时,这种传统方法将行不通。杨博士回忆说:“但是当我们在目前的多组分金属间合金中添加过量的硼时,我们获得了完全不同的结果。有一次我想知道实验中是否出了问题。”
 
令团队惊讶的是,当硼增加到1.5至2.5 at时。%,这些掺硼合金变得非常坚固但非常易延展。实验结果表明,该金属间合金具有2 at。%的硼具有1.6吉帕的超高屈服强度,在环境温度下的拉伸延展性为25%。
 
通过研究不同的透射电子显微镜,研究小组发现硼的浓度在1.5至2.5 at范围内。%,在相邻的有序晶粒之间形成独特的纳米层。每个晶粒都封装在这个约5nm厚的超薄纳米层中。纳米层本身具有无序的原子结构。刘教授说:“这种特殊现象以前从未发现和报道过。”
 
他们的拉伸试验表明,纳米层充当相邻晶粒之间的缓冲区,这使晶粒边界处的塑性变形成为可能,从而在超高屈服强度水平下产生了较大的拉伸延展性。
这些图片表明该合金(NDI-SM)在环境温度下具有出色的强度-延性协同作用,在高温下具有出色的耐热性。学分:科学 DOI:10.1126 / science.abb6830
为什么会形成无序纳米层?
 
研究小组发现,硼的进一步增加大大增强了“多元素共偏析”的作用,即沿晶界的多个元素的分配。城大采用先进的三维原子探针层析成像技术(3-D APT),这是香港和中国南方地区唯一的一种,他们观察到纳米层中硼,铁和钴原子的浓度很高。相反,镍,铝和钛在那里大量消耗。结果,这种独特的元素分配导致了纳米层内的纳米级无序,有效地抑制了沿晶界的断裂并增强了延展性。
 
此外,在评估合金的热响应时,研究小组发现,即使在1050°C的高温下退火120小时后,晶粒尺寸的增加也可以忽略不计。这使团队再次感到惊讶,因为大多数结构材料通常在高温下会显示出晶粒尺寸的快速增长,导致强度迅速降低。
 
开发用于高温用途的结构材料的新途径
 
他们认为,纳米层对于抑制晶粒尺寸的增长并在高温下保持其强度至关重要。无序纳米层的热稳定性将使这种合金适合高温结构应用。
 
“合金中这种无序纳米层的发现将对未来高强度材料的发展产生影响。特别是,这种方法可以应用于高温环境下的结构材料,例如航空航天,汽车,核能,和化学工程。”刘教授说。

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