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香港城市大学刘锦川院士团队再发science: 诱导晶界纳米无序化,制备高强、高韧超点阵金属间化合物材料

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  • 发布时间:2020-07-24 11:06
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【概要描述】近日,香港城市大学的杨涛博士,赵怡潞博士(共同一作)在国际著名材料科学家刘锦川院士(通讯作者)的指导下,与哈尔滨工业大学(深圳),深圳大学,香港理工大学等著名高校强强合作,基于“晶界纳米无序化”的设计思路,开发出了一种新型高强度、高塑性、高热稳定性的新型金属间化合物材料(NDI-SMs)。

香港城市大学刘锦川院士团队再发science: 诱导晶界纳米无序化,制备高强、高韧超点阵金属间化合物材料

【概要描述】近日,香港城市大学的杨涛博士,赵怡潞博士(共同一作)在国际著名材料科学家刘锦川院士(通讯作者)的指导下,与哈尔滨工业大学(深圳),深圳大学,香港理工大学等著名高校强强合作,基于“晶界纳米无序化”的设计思路,开发出了一种新型高强度、高塑性、高热稳定性的新型金属间化合物材料(NDI-SMs)。

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【引言】开发具有高强度的高温结构材料对许多工业领域来说都至关重要,尤其是在航空、航天等尖端科技领域。有序超点阵合金,亦被称为金属间化合物合金,作为一种最具潜力的高温结构材料得到了越来越多的广泛关注。与无序固溶体合金相比,金属间化合物合金具有独特的长程有序的原子密排结构,低的原子扩散速率以及高的熔点,使其在新型高温合金和器件的研发中扮演举足轻重的地位。然而,在过去的几十年里,大多数金属间化合物合金以二元合金系为主,如Ni3Al,NiAl和TiAl合金等,其在室温下往往表现非常严重的强塑性矛盾。例如,在高的屈服强度(GPa)下往往呈现出非常低的塑性变形能力,过早的脆性断裂(尤其是脆性的沿晶断裂)使其无法满足实际应用的需求;部分微合金化后的金属间化合物可以显示出一定的拉伸塑性,但其室温和高温下的屈服强度却往往很低。 此外,这一类材料通常为多晶体形态,在高温下容易发生晶粒的快速长大和粗化,随之而来的是材料屈服强度的显著降低,这也极大地限制了他们在高温条件下的大规模应用。 因此,如何设计一种新型金属间化合物合金同时兼具高强度、高塑性、高热稳定性成为了目前合金设计中最为严峻的瓶颈问题之一。2018年,由国际著名材料科学家刘锦川院士领衔的团队首次提出了多组元金属间化合物纳米颗粒(MCINPs)的设计理念,并通过控制在纳米尺度下引入高体积分数的MCINPs,成功突破了传统金属材料在室温条件下中强度和塑性不可兼得的瓶颈问题。相关成果以题为“Multicomponent intermetallic nanoparticles and superb mechanical behaviors of complex alloys”在Science上发表 (DOI: 10.1126/science.aas8815)。“多组元合金化”为新型合金材料的开发提供了非常重要的理论基础和方向。对于块体金属间化合物体系来说,通过多元合金化,可以实现对晶内亚点阵占位和晶界微区结构的协同调控,从而有望获得更为独特的超点阵复合结构,为开发性能更为优异的新型高温金属材料开辟了一个新的途径。 

【成果简介】近日,香港城市大学的杨涛博士,赵怡潞博士(共同一作)在国际著名材料科学家刘锦川院士(通讯作者)的指导下,与哈尔滨工业大学(深圳),深圳大学,香港理工大学等著名高校强强合作,基于“晶界纳米无序化”的设计思路,开发出了一种新型高强度、高塑性、高热稳定性的新型金属间化合物材料(NDI-SMs)。研究发现,在L12结构(有序面心立方结构)的NiFeCoAlTiB的多组元金属间化合物的合金体系中,Ti原子会占据Al原子的亚点阵格点(面心立方晶胞中的顶点位置,见图1),显著增加该超点阵的反相畴界能,从而阻碍位错运动并提高其屈服强度。部分Fe和Co原子占据了Ni原子的亚点阵格点(面心立方晶胞中的面心位置,见图1), 有助于降低合金的价电子浓度(VEC)并提高L12结构的稳定性。除此之外,研究发现间隙B原子的添加能够造成Fe和Co原子在晶界处的大幅度的偏析,并同时使得Ni, Al和Ti原子在晶界处的浓度显著降低 (见图2)。基于此,通过调控B原子的添加可以调控的晶界共偏聚行为,最终在L12有序超点阵结构中引入了无序fcc结构的“晶界纳米无序层”,显著提高材料晶界的断裂韧性和塑性变形能力,实现了材料整体性能的显著提升(见图3和图4)。在室温条件下,该新型超点阵材料表现出极高的强度(~1.6GPa的断裂强度)和优异的拉伸塑性(~20%以上的拉伸延伸率),且无任何晶间脆化现象。该综合力学性能显著优于传统的金属间化合物合金。更为重要的是,这种fcc型的“晶界纳米无序层”与晶内相邻的L12型有序超点阵存在低错配度的共格界面关系。这种特殊的多元素的共偏聚及其共格界面结构可以显著抑制材料在高温条件下的晶粒粗化行为,提高其高温热稳定性。具体来说,该合金在1050 ℃下长时间热处理(120h) 后,晶粒平均尺寸维持在13.1μm左右,几乎没有发生明显的长大和粗化,其晶粒长大的速率明显慢于传统的结构材料,这将显著提高其在高温条件下的应用潜力。相关的研究成果以题为 “Ultrahigh-strength and ductile superlattice alloys with nanoscale disordered interfaces” 在国际顶级期刊Science上成功发表。这种独特的“晶界纳米无序层”的结构与理念有望应用于更多的合金体系,尤其是多组元金属间化合物合金系,为新型高强、高韧、耐高温的结构材料及合金的开发提供了全新的设计思路。

文献链接:

1. T. Yang, Y.L. Zhao, W.P. Li, C.Y. Yu, J.H. Luan, D.Y. Lin, L. Fan, Z.B. Jiao, W.H. Liu, X.J. Liu, J.J. Kai, J.C. Huang, C.T. Liu. “Ultrahigh-strength and ductile superlattice alloys with nanoscale disordered interfaces” (2020) DOI: 10.1126/science. abb6830.

【作者简介】

刘锦川院士:现任香港城市大学杰出教授,美国工程院院士,中国工程院外籍院士,美国橡树岭国家研究院资深院士、欧洲科学院院士及台湾中央研究院院士,美国橡树岭国家实验室金属与陶瓷部合金行为与设计组前组长。刘锦川院士主要从事材料科学与工程和先进金属材料的研究工作,在金属间化合物、高熵合金、贵金属合金设计和大块金属玻璃材料等领域均做出了开创性的贡献, 是国际材料界具有重要影响的杰出科学家。先后荣获美国能源部(US-DOE)能源技术重大影响奖,美国能源部劳伦斯奖(美国总统奖),中国政府友谊奖以及中国国际科学技术合作奖等重大奖项。1995年被评为全球材料科学与冶金学术期刊被引用最多的前五位作者之一。2003年,被国际科学资讯(ISI)评为材料科学领域世界高引用科学家,并当选世界科技联席组织院士会员。近三十余年来,刘锦川院士一直致力于加强中美的学术交流与技术合作,特别是推进在高温结构材料、高熵合金以及块状非晶等尖端领域的科学研究,为中国科学家在相关课题与领域的研究迅速进入国际先进水平做出了突出贡献。

涛博士:现任职于香港高等研究院(HKIAS)。2015年入选香港特区政府博士生奖学金计划(Hong Kong Ph.D. Fellowship Scheme, HKPFS), 2018年毕业于香港城市大学机械工程系,工学博士,香港高等研究院HKIAS杰出博士后。近年来主要从事金属间化合物、高熵合金、高温合金等先进金属材料的合金设计与制造,基于三维原子探针层析(3D-APT)和透射电镜(TEM)等显微表征技术研究金属材料的热力学与动力学行为,纳米尺度的固态相变行为及其宏观/微观变形和反应机制等。相关研究成果先后发表在Science, Advanced Materials, Nature Communications, Acta Materialia, Materials Research Letter, Scripta Materilaia等期刊, 并先后担任多个国际期刊与杂志的审稿人。 

怡潞博士:现任职于香港城市大学博士后研究员。2018年毕业于香港城市大学机械工程系,工学博士。博士毕业后继续师从著名核材料专家开执中教授从事金属材料的相关研究工作。目前主要从事高熵合金、高温合金、电催化等材料的设计与研究,致力于通过高分辨透射电镜(HRTEM)和三维原子探针层析(3D-APT)从原子尺度深入揭示合金的微观相变机理、塑性变形机制和材料的辐照缺陷的损伤机理等。近年来,在Science, Advanced Materials,Acta Materialia, Materials Research Letters, Scripta Materialia,International Journal of Plasticity,Journal of Nuclear Materials等国际期刊上发表学术论文近三十余篇,并应邀担任多个国际期刊的审稿人。

来源:材料人

 

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