製作高強度兼延展性合金的新策略

馮美玲

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(前排左起)劉錦川教授、楊濤博士、(後排左起)趙怡潞博士、欒軍華博士。

 

香港城市大學(城大)領導的團隊研發出新策略,可製造出含無序界面納米層的多組元超晶格合金,這種合金於不同溫度下兼具高強度及延展性。

研究結果已在頂尖學術期刊《科學》上發表,論文題為「超高強度及延展性:含納米級無序界面的超晶格合金」。

超晶格合金的原子為密排及有序的結構,具備良好的化學結合強度及低原子流動的特質,因此適宜應用於高溫環境使用的結構材料,如航天、汽車、燃氣渦輪發動機等工程領域及許多其他行業。

不過,其高度有序的結晶結構卻令超晶格合金易於斷裂。

由城大工學院大學傑出教授劉錦川教授領導的研究團隊,發現了解決上述矛盾的新方法。

根據傳統智慧,添加微量(0.1至0.5原子百分數,即atomic percent,以at. %標示)的硼可以增強晶粒邊界(晶界)黏聚力,從而顯著改善拉伸延展性。不過,若添加多於0.5 at. %的硼,這個傳統方法則不會見效。研究團隊想出在多組元合金添加大量的硼,結果出乎他們意料之外。

劉教授說:「添加硼濃度至2.5 at. %後,我們合成的合金沿着晶界出現一層超薄的無序界面納米層。」

該超薄納米層含有數種基本合金元素,原子結構是無序的,抑制了晶粒與晶粒之間變脆斷裂。

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於晶界出現的超薄無序納米層,其厚度約為5 納米。

 

 

超晶格合金的基本結構是由被稱為「晶粒」的個別晶體組成。這類合金常見的脆性斷裂,通常是由於在拉伸變形過程中,沿着晶界發生斷裂所致。

劉教授說:「我們研製的超晶格合金在室溫下具有1.6 GPa的超高強度和25%的拉伸延展性,其延展性遠高於預期。」GPa(十億帕斯卡)為壓力單位。

此外,研究團隊發現即使在1050°C的高溫處理120小時後,晶粒尺寸增大的程度也不明顯,可說是微不足道。

在高溫下,大部分傳統結構材料的晶粒會快速增大,使結構因受熱而變得不穩定,材料強度隨之急降,嚴重影響其應用。

研究團隊認為,這種納米層對於在高溫下抑制晶粒增大及保持其強度至關重要。無序納米層的熱穩定性,令這種合金適合用作高溫環境下的結構材料。

發現合金中沿晶界的無序納米層,有利未來研發高強度材料,並為進一步提升合金性能開拓新方向。

劉教授是論文的通訊作者。論文的共同第一作者是城大機械工程學系的楊濤博士趙怡潞博士。其他來自城大的共同作者包括:材料科學講座教授兼香港高等研究院執行院長黃志青教授、核子工程講座教授開執中教授、材料科學及工程學系李萬鵬、以及三維原子探針聯合研究實驗室欒軍華博士

 

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