香港城市大学开发新技术 用于制造热稳定高熵合金

盖世汽车讯 目前,纳米颗粒已经被用于为结构应用开发高强度材料。然而,纳米颗粒往往具有热不稳定性,在高温环境中容易快速粗化。

(图片来源:香港城市大学)

据外媒报道,由香港城市大学(City University of Hong Kong,CityU)材料科学家负责的最新研究发现,调整高熵合金(也称为化学复合合金)中的钴浓度,可以阻止纳米颗粒在高温下快速粗化。这一策略开辟了新的途径,有助于未来设计新型热稳定化学复合合金,用于各种工程领域。

在创造具有独特结构和功能的材料方面,纳米颗粒强化技术被视为一种强有力的策略,即在合金化过程中通过添加纳米颗粒来强化合金。这项技术已被广泛用于制造新型高强度材料,如先进的铝合金、钢和高温合金。但这些细小的纳米级颗粒的热稳定性差,在高温下容易快速粗化,大大降低了主体材料的承载能力,导致发生断裂或其他严重的故障。

在这项研究中,研究团队发现,通过调整钴浓度,可以定量控制高熵合金的“缓慢晶格扩散”(sluggish lattice diffusion)效应,从而在高达1000°C的温度下充分防止纳米颗粒快速粗化。研究负责人、CityU材料科学与工程系Yang Tao博士表示:“对于有针对性地设计高性能合金,使其具有优异的热性能和机械性能,以用于高温结构应用,这项研究开辟了一条非常有效的途径。”

缓慢晶格扩散效应,即在高构形熵合金中单个元素的扩散比低构形熵合金慢,可能赋予一些高熵合金显著的热稳定性。然而,目前缓慢晶格扩散效应的潜在机制尚不明了。

通过互补结合各种实验技术和理论模拟,该研究团队观察到,钴可以通过降低其他元素的相互扩散系数(用于描述材料中原子迁移率的参数),有效触发镍-钴-铁-铬-铝-钛(NiCoFeCrAlTi)合金体系中独特的缓慢晶格扩散效应。结果发现,增加钴浓度可以大幅减小平均粒径,并进一步提高这些纳米颗粒的热稳定性。此外,在800°C的条件下调整钴浓度,可以显著降低所有高熵合金主要成分的相互扩散系数,尤其是铝。

该团队开发的可控缓慢晶格扩散策略,可以在800 ~ 1000°C的高熵合金体系中实现超稳定的纳米结构。Yang博士表示:“这项研究发现了一种新型纳米颗粒稳定机制。与之截然不同,传统观点认为,纳米颗粒的稳定性是通过添加铼等难熔元素来实现的。

“这种新策略可以进一步指导开发新型化学复合合金,使其具有卓越的微结构稳定性,并可能应用于其他金属合金。这为开发坚固的下一代高熵合金铺平了道路。这些合金可用于各种工程领域的极端高温环境,如航空航天、汽车设计和核工程。”

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