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香港理工《Nature》子刊：2GPa屈服+16%均勻塑性！超高強(qiáng)高塑新型高熵合金

2020-12-09 13:50:36 作者：本網(wǎng)整理來源：材料科學(xué)與工程分享至：

具有超高強(qiáng)度和高塑性的金屬材料是航空航天、交通運(yùn)輸、能源電站等戰(zhàn)略工程領(lǐng)域迫切需求的結(jié)構(gòu)材料。其中，納米片層材料因其超高強(qiáng)度等優(yōu)良特性而倍受學(xué)術(shù)界和工業(yè)界青睞，但室溫塑性差（延伸率低于5%）是制約其工程應(yīng)用的瓶頸問題。

最近，香港理工大學(xué)焦增寶博士團(tuán)隊(duì)、香港城市大學(xué)劉錦川院士團(tuán)隊(duì)和中科院金屬所研究人員合作，提出了共格納米片層合金的設(shè)計(jì)理念，成功的開發(fā)出具有超高強(qiáng)度（屈服強(qiáng)度>2GPa）和高塑性（均勻延伸率16%）的新型高熵合金，克服了金屬材料的強(qiáng)塑性矛盾，為高性能金屬材料的開發(fā)帶來了新的研究思路。香港理工大學(xué)為論文第一單位，通訊作者為香港理工大學(xué)焦增寶博士和香港城市大學(xué)劉錦川院士，第一作者為香港理工大學(xué)博士生范磊，合作者還包括香港城市大學(xué)楊濤博士、趙怡潞博士、欒軍華博士，金屬所周剛博士、王皞博士，論文以“Ultrahigh strength and ductility in newly developed materials with coherent nanolamellar architectures”發(fā)表在Nature Communications上。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41467-020-20109-z

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本研究以（Ni1.5FeCoCr0.5）87.5Al7.5Ti5.0高熵合金為模型，通過熱處理工藝抑制顆粒狀L12相的連續(xù)析出，調(diào)控片層狀L12相的不連續(xù)析出，獲得了均勻分布的FCC+L12全片層納米組織（30-40納米），F(xiàn)CC和L12片層呈完全共格關(guān)系。合金的屈服強(qiáng)度超過2GPa，均勻延伸率達(dá)16%，獲得了超高強(qiáng)度和高塑性的良好匹配，克服了傳統(tǒng)金屬材料的“強(qiáng)度-塑性矛盾”。

共格納米片層高熵合金的超高強(qiáng)度主要來自于高密度的FCC/L12界面強(qiáng)化，高塑性也與FCC/L12界面密切相關(guān)：1）當(dāng)應(yīng)力超過屈服強(qiáng)度時(shí)，共格界面有利于位錯(cuò)穿越界面，避免界面的位錯(cuò)塞積和應(yīng)力集中；2）共格界面有利于位錯(cuò)的長(zhǎng)程滑移，促進(jìn)材料的均勻變形；3）FCC相的層錯(cuò)能較低，產(chǎn)生了大量的層錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和“Lomer-Cottrell位錯(cuò)鎖”，提高了材料的加工硬化能力；4）L12片層具有多組元的特性，與傳統(tǒng)的簡(jiǎn)單金屬間化合物相比，具有高塑性的特點(diǎn)。

除了超高強(qiáng)度和高塑性外，共格納米片層高熵合金還具有組織均勻等優(yōu)點(diǎn)，等軸晶尺寸均勻且無取向性，材料力學(xué)性能穩(wěn)定。另外，傳統(tǒng)納米片層一般通過疊軋、物理或化學(xué)沉積等方法制備薄片或薄膜，而共格納米片層高熵合金通過相變形成納米片層，可通過傳統(tǒng)鑄造和熱處理工藝制備大尺寸塊體材料，有利于促進(jìn)材料的結(jié)構(gòu)應(yīng)用。

圖1. 共格納米片層（CNL）合金的拉伸性能

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圖2. 共格納米片層合金的微觀組織：（a） TEM明場(chǎng)像，（b） TEM暗場(chǎng)像，（c） FCC/L12片層尺寸統(tǒng)計(jì)，（d） FCC/L12共格界面，（e） APT表征納米片層圖片

圖3. 共格納米片層合金的變形機(jī)理：（a-c）分別為變形2%, 5%和16%的組織，（d）為（c）的放大圖，顯示出高密度層錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和LC位錯(cuò)鎖圖片

圖4.共格納米片層合金與傳統(tǒng)片層合金/納米合金的力學(xué)性能比較

綜上所述，本研究開發(fā)了具有超高強(qiáng)度和高塑性的共格納米片層高熵合金，克服了金屬材料的強(qiáng)塑性矛盾，在航空航天、交通運(yùn)輸和能源電站等關(guān)鍵領(lǐng)域有重要的應(yīng)用潛力。本研究提出的共格納米片層合金的設(shè)計(jì)理念，有望應(yīng)用于高溫合金、鈦合金、超級(jí)鋼等其它金屬材料體系。

通訊作者：

焦增寶博士，香港理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)系助理教授。2010年于北京科技大學(xué)呂昭平教授研究組獲碩士學(xué)位，2014年于香港城市大學(xué)C.T. Liu院士研究組獲博士學(xué)位，2016年于麻省理工學(xué)院Christopher A. Schuh院士研究組從事納米金屬材料研究，2017年加入香港理工大學(xué)。研究興趣主要集中在超高強(qiáng)度鋼、高熵合金、高溫合金和納米晶的合金設(shè)計(jì)和組織性能調(diào)控，以及納米結(jié)構(gòu)材料的三維原子探針（APT）表征。發(fā)表在Science、NatureCommunications、Materials Today、ActaMaterialia等期刊論文五十余篇，擔(dān)任Acta Materialia、Scripta Materialia、Intermetallics等期刊審稿人。

劉錦川院士，香港城市大學(xué)材料科學(xué)與工程系大學(xué)杰出教授，美國(guó)工程院院士，中國(guó)工程院外籍院士，臺(tái)灣中央研究院院士。于美國(guó)布朗大學(xué)獲得博士學(xué)位，1967年進(jìn)入美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，先后擔(dān)任研究員暨高級(jí)研究員、合金行為與設(shè)計(jì)部門主任、資深研究院士，1988年獲得美國(guó)總統(tǒng)獎(jiǎng)之一勞倫斯獎(jiǎng)，1998年獲得布朗大學(xué)杰出校友金質(zhì)獎(jiǎng)?wù)拢?004年當(dāng)選為美國(guó)國(guó)家工程院院士，2005年當(dāng)選中國(guó)工程院外籍院士，2006年獲得中國(guó)政府友誼獎(jiǎng)。主要從事先進(jìn)金屬材料的研究工作。

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