香港研发高强度/高延展性金属间合金 可应用于航空航天/汽车等

在高温环境中，金属间合金可能具有高强度，但其在室温和低温下的延展性较差，限制了其在航空航天和其他工程领域的应用。然而，据外国媒体报道，中国香港城市大学领导的一个研究小组最近发现，有序金属间化合物合金的晶界存在无序纳米层。这种类型的纳米层不仅有效地解决了强度和延展性之间的矛盾，而且使合金在高温条件下保持强度和良好的热稳定性。设计类似的纳米层可以为设计具有最佳合金财产的新型结构材料铺平道路。

与金属一样，金属间合金的内部结构由称为“晶粒”的单晶组成。由于在拉伸变形过程中沿晶界出现裂纹，金属间合金通常非常脆。在金属间合金中添加硼是克服其脆性的传统方法之一。研究人员之一刘教授30年前发现，在二元金属间合金中添加硼可以增强晶界的内聚力，从而提高整体延展性。近年来，刘教授在大块金属间合金的开发方面也取得了重大进展。这种类型的材料具有高强度，可以应用于高温结构应用，但它在室温下通常非常脆，晶粒会迅速变粗，而晶粒在高温下会迅速软化。在这项研究中，刘教授和他的团队在多元金属间合金中开发了一种新的“界面纳米无序”策略，使其在室温下具有高强度、高延展性和优异的高温热稳定性。另一位研究人员表示：“一开始，我们试图通过优化硼含量来提高晶界的内聚力，预计当硼含量增加时，由于其多元成分，合金将保持超高强度。”根据传统观点，添加微量硼原子可以增加晶界的内聚性，显著提高了合金的拉伸延展性。但是当添加过量的硼时，这种方法不会有任何效果。令研究团队惊讶的是，当硼的浓度高达1.5%至2.5%时，掺杂硼的合金变得非常坚固，但具有良好的延展性。实验结果表明，含量约为2%的硼对金属间合金具有良好的影响，在室温下可获得高达1.6MPa的屈服强度和高达25%的延展性。研究团队使用不同的透射电子显微镜进行了研究，发现当硼的浓度达到1.5%至2.5%时，在相邻的有序晶粒之间形成了独特的纳米层。每个晶粒都被一层约5纳米厚的超薄纳米层包裹，纳米层本身具有无序的原子结构。在拉伸试验中，纳米层充当相邻晶粒之间的缓冲区，导致晶界塑性变形，从而在超高屈服强度下实现显著的拉伸延展性。研究小组发现，硼含量的增加进一步增强了“多元素共分离”现象，即多种元素沿着晶界分离。在香港城市大学先进的3D原子探针层析成像技术的帮助下，研究人员观察到纳米层中硼、铁和钴原子的高浓度。相比之下，镍、铝和钛大多已经耗尽。因此，这种独特的元素边界导致纳米层内的纳米级无序，有效地抑制了沿晶界的裂纹，提高了合金的延展性。此外，在评估合金的热响应能力时，研究团队发现，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。这尤其让研究团队感到惊讶，因为大多数结构材料通常在高温下表现出晶粒尺寸的快速增长，导致强度的快速下降。研究人员认为，抑制纳米层中的晶粒尺寸增长并确保其在高温下的强度至关重要，而无序纳米层的热稳定性可以使合金适合高温结构应用。刘教授说：“这种合金中无序纳米层的发现将对高强度m的发展产生重大影响……

未来的材料。此外，该方法可用于高温环境中的结构材料，如航空航天、汽车、核能和化学工程中的结构物质。"

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