高熵、中熵合金,镁、铝合金领域Nature/Science集锦

铝合金是以铝为基添加一定量其他合金化元素的合金,是轻金属材料之一。铝合金具有密度低、力学性能佳、加工性能好、无毒、易回收、导电性、传热性及抗腐蚀性能优良等特点,在船用行业、化工行业、航空航天、金属包装、交通运输等领域广泛使用。镁合金是以镁为基础加入其他元素组成的合金。密度小,强度高,弹性模量大,散热好,消震性好,承受冲击载荷能力比铝合金大,耐有机物和碱的腐蚀性能好。镁合金广泛用于携带式的器械和汽车行业中,达到轻量化的目的。传统的金属合金,当其中含量少的原子在低于它们的溶解度限制时倾向于随机分布,当高于溶解度限制时会形成第二相。多元元素合金的概念最近扩展了这一观点,因为这些材料是金属元素等原子混合的单相固溶体。这类材料因其突出的力学性能而受到广泛关注。三元体系通常称为中熵合金,四元或五元体系称为高熵合金,暗示了它们的高构型熵。作为一种新兴的结构材料,中、高熵合金在结构应用中具有良好的综合力学性能。下面,一起梳理回顾刘锦川、吕坚、吕昭平、胡良兵、Ritchie等大牛在高熵、中熵合金,镁、铝合金等领域的科研进展。

1、Science:多组分金属间纳米粒子和复杂合金的优良力学行为

高熵、中熵合金,镁、铝合金领域Nature/Science集锦

香港城市大学刘锦川院士团队在基于单主元合金系统的合金设计无法突破这一棘手的难题下(进一步优化合金化学和微观结构的能力有限),团队最近提出的多元素合金系统的冶金设计为缓解这些问题提供了一条有希望的途径。在这项研究中,团队开发了一种创新的设计策略,以消除千兆帕斯卡强度合金的延性损失。设计理念是在可控制地制造用于fcc型HEA系统中的相干强化的延性多组分金属间纳米粒子(MCINPs),通过控制有序-无序相变和元素分配,实现了MCINPs的纳米级沉淀的原位延展化。这种概念设计不仅能够充分发挥金属间纳米粒子的强化作用,而且能够保持较高的加工硬化率和塑性变形稳定性。因此,MCINP强化合金(MCINPS)具有出色的强度-延展性组合,而不会遇到早期局部缩颈和有限均匀延展性的常见问题。这种MCINP强化合金在环境温度下具有1.5千兆帕的优异强度和高达50%的延展性。

文献链接:

https://science.sciencemag.org/content/362/6417/933

2、Nature:双相纳米结构铸就史上最强镁合金

高熵、中熵合金,镁、铝合金领域Nature/Science集锦

香港城市大学吕坚院士团队研制了双相纳米晶结构的镁合金材料,通过磁控溅射法将直径约6 nm的MgCu2晶粒均匀地嵌入约2 nm厚的富含镁的无定形壳中,生产获得具有非晶/纳米晶双相结构的镁基超纳尺寸双相玻璃晶(SNDP-GC)。该双相材料结合并加强了纳米晶材料与非晶纳米材料的优势,在室温下表现出接近理想强度,并且解决了样品尺寸效应问题。研究团队所制成的镁合金体系是由埋在无定型玻璃壳中的纳米晶核组成,所得双相材料的强度是近乎理想的3.3 GPa,这也是迄今为止强度最大的镁合金薄膜。同时,研究者提出了一种由本构模型组成的强度增强机制,在材料制备过程中形成了一个由直径约6 nm且几乎无位错的晶粒组成的结晶相,当应变发生时该结晶相阻止了局部剪切带的移动传播,在任何已出现的剪切带内,嵌入的晶粒分裂和旋转,也有利于材料强化和抵抗剪切带的软化效果。

文献链接:

https://www.nature.com/articles/nature21691

3、Nature: 3D打印实现高强铝合金

高熵、中熵合金,镁、铝合金领域Nature/Science集锦

美国加州大学John H. Martin教授团队报道了在增材制造过程中引入控制固化的纳米颗粒成核剂解决了熔融和凝固动力导致具有大柱状晶粒和周期性裂纹的不可耐受的微观结构。在使用成核剂后,与增材制造不相容的高强度铝合金可以使用选区激光熔化成功加工,无裂纹,等轴,实现了细晶粒微观结构,达到与锻造材料相当的材料强度。该增材制造方法适用于各种合金,可以使用一系列3D打印机器来实现,为广泛的工业应用提供了基础。

文献链接:

https://www.nature.com/articles/nature23894

4、Science: 室温循环塑性对铝合金的析出强化作用

高熵、中熵合金,镁、铝合金领域Nature/Science集锦

澳大利亚莫纳什大学Christopher Hutchinson教授团队报道了通过使用一种全新的强化手段,即循环强化(CS)。研究人员通过发现受控的室温循环变形足以连续向材料中注入空位,并且介导超细溶质团簇的动态析出从而达到强化的目的。与传统的热处理相比,不仅加工时间短得多,而且这种处理方式可以获得高强度、高塑性的铝合金材料。使用这种方法获得的微观结构也比传统热处理的更加均匀,并且没有表现出无沉淀区。因此,使用该方法得到铝合金可能具有更强的抗损坏的能力。

文献链接:

https://science.sciencemag.org/content/363/6430/972

5、Nature: 通过有序的氧络合物提高高熵合金的强度和延展性

高熵、中熵合金,镁、铝合金领域Nature/Science集锦

北京科技大学的吕昭平教授团队报道了在合金中发现了一种新型的氧存在形式。该团队以TiZrHfNb高熵合金(HEAs)作为模型材料,对其进行有限的氧掺杂,发现氧形成了一种新型的有序氧复合物。该复合物的状态介于氧化物颗粒和常规随机间质之间。常规间质只对增强合金强度有所贡献,然而这一新型复合物不仅可以显著提高强度,还能同时保证材料的延展性。进一步力学测试显示,相较于未掺杂氧的合金,存在新型有序氧复合物的TiZrHfNb高熵合金的拉伸强度提高了48.5%左右,同时延展性也大幅增强了95.2%。这一结果打破了金属材料的强度和延展性性能不可同时得到提高的定律,为高强度-高延展性金属材料的设计提供了新的思路。

文献链接:

https://www.nature.com/articles/s41586-018-0685-y

6、Science: 合成八种元素的高熵合金

高熵、中熵合金,镁、铝合金领域Nature/Science集锦

美国马里兰大学的胡良兵教授团队联合伊利诺伊大学芝加哥分校、约翰霍普金斯大学、麻省理工大学的研究人员通过热冲击负载在碳载体上的前体金属盐混合物,提出了通过将八种不同元素合金化成单相固溶体纳米颗粒(通常称为高熵合金纳米颗粒(HEA-NP)。研究人员通过控制碳热激发(CTS)参数(底物,温度,冲击持续时间和加热/冷却速率)来合成具有期望的化学(组成),尺寸和相(固溶体,相分离)的宽范围的多组分纳米颗粒。

文献链接:

https://science.sciencemag.org/content/359/6383/1489.full

7、Nature: 通过成分来调整高熵合金中的元素分布,结构和性能

高熵、中熵合金,镁、铝合金领域Nature/Science集锦

加州伯克利分校Robert Ritchie教授团队、浙江大学的余倩教授和美国佐治亚理工学院的Ting Zhu等人通过利用原子分辨率化学映射揭示了几类典型和新型高熵合金的元素分布情况。研究人员首先研究了面心立方结构CrMnFeCoNi Cantor合金,在这种合金中,五种构成元素的分布式相对随机统一的。与此相反,在新型CrFeCoNiPd合金中,钯原子拥有截然不同的原子尺寸和电负性,使得合金的均一性明显减弱,并且五种元素更加趋向于聚集。原位TEM分析显示,在应变实验过程中,合金出现了大量相对早期塑性形变的位错交叉滑移,导致出现了非常强大的位错相互作用。由于组分分布的明显波动,这类变形机制在新型CrFeCoNiPd合金中尤为增强,并直接致使该种合金获得了更高的屈服强度。研究认为,图谱绘制原子尺度元素分布的方法为深入理解材料化学结构提供了新的可能,并为通过调控材料组分从而获得优异力学性能提供了基础。

文献链接:

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1617-1

8、Nature: 短程有序结构及其对CrCoNi中熵合金的影响

高熵、中熵合金,镁、铝合金领域Nature/Science集锦

美国加州大学伯克利分校Andrew M. Minor教授团队利用能量过滤透射电子显微学手段成功地观测了CrCoNi中熵合金中的短程有序结构,并发现随着短程有序结构的增加,堆垛层错能和材料硬度也在不断增加。这些发现表明,热机械加工可以改变纳米尺度的局部有序状态,这项研究为调控中熵/高熵合金的机械性能提供了新的思路。

文献链接:

https://doi.org/10.1038/s41586-020-2275-z

由eric供稿,参考材料人!

发表评论

电子邮件地址不会被公开。 必填项已用*标注

此站点使用Akismet来减少垃圾评论。了解我们如何处理您的评论数据