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

2020-12-09 13:50:36 作者：本網整理來源：材料科學與工程分享至：

具有超高強度和高塑性的金屬材料是航空航天、交通運輸、能源電站等戰略工程領域迫切需求的結構材料。其中，納米片層材料因其超高強度等優良特性而倍受學術界和工業界青睞，但室溫塑性差（延伸率低于5%）是制約其工程應用的瓶頸問題。

最近，香港理工大學焦增寶博士團隊、香港城市大學劉錦川院士團隊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計理念，成功的開發出具有超高強度（屈服強度>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塑性矛盾，為高性能金屬材料的開發帶來了新的研究思路。香港理工大學為論文第一單位，通訊作者為香港理工大學焦增寶博士和香港城市大學劉錦川院士，第一作者為香港理工大學博士生范磊，合作者還包括香港城市大學楊濤博士、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相的連續析出，調控片層狀L12相的不連續析出，獲得了均勻分布的FCC+L12全片層納米組織（30-40納米），FCC和L12片層呈完全共格關系。合金的屈服強度超過2GPa，均勻延伸率達16%，獲得了超高強度和高塑性的良好匹配，克服了傳統金屬材料的“強度-塑性矛盾”。

共格納米片層高熵合金的超高強度主要來自于高密度的FCC/L12界面強化，高塑性也與FCC/L12界面密切相關：1）當應力超過屈服強度時，共格界面有利于位錯穿越界面，避免界面的位錯塞積和應力集中；2）共格界面有利于位錯的長程滑移，促進材料的均勻變形；3）FCC相的層錯能較低，產生了大量的層錯網絡結構和“Lomer-Cottrell位錯鎖”，提高了材料的加工硬化能力；4）L12片層具有多組元的特性，與傳統的簡單金屬間化合物相比，具有高塑性的特點。

除了超高強度和高塑性外，共格納米片層高熵合金還具有組織均勻等優點，等軸晶尺寸均勻且無取向性，材料力學性能穩定。另外，傳統納米片層一般通過疊軋、物理或化學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，可通過傳統鑄造和熱處理工藝制備大尺寸塊體材料，有利于促進材料的結構應用。

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明場像，（b） TEM暗場像，（c） FCC/L12片層尺寸統計，（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，顯示出高密度層錯網絡結構和LC位錯鎖圖片

圖4.共格納米片層合金與傳統片層合金/納米合金的力學性能比較

綜上所述，本研究開發了具有超高強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塑性矛盾，在航空航天、交通運輸和能源電站等關鍵領域有重要的應用潛力。本研究提出的共格納米片層合金的設計理念，有望應用于高溫合金、鈦合金、超級鋼等其它金屬材料體系。

通訊作者：

焦增寶博士，香港理工大學機械工程學系助理教授。2010年于北京科技大學呂昭平教授研究組獲碩士學位，2014年于香港城市大學C.T. Liu院士研究組獲博士學位，2016年于麻省理工學院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。研究興趣主要集中在超高強度鋼、高熵合金、高溫合金和納米晶的合金設計和組織性能調控，以及納米結構材料的三維原子探針（APT）表征。發表在Science、NatureCommunications、Materials Today、ActaMaterialia等期刊論文五十余篇，擔任Acta Materialia、Scripta Materialia、Intermetallics等期刊審稿人。

劉錦川院士，香港城市大學材料科學與工程系大學杰出教授，美國工程院院士，中國工程院外籍院士，臺灣中央研究院院士。于美國布朗大學獲得博士學位，1967年進入美國橡樹嶺國家實驗室，先后擔任研究員暨高級研究員、合金行為與設計部門主任、資深研究院士，1988年獲得美國總統獎之一勞倫斯獎，1998年獲得布朗大學杰出校友金質獎章，2004年當選為美國國家工程院院士，2005年當選中國工程院外籍院士，2006年獲得中國政府友誼獎。主要從事先進金屬材料的研究工作。

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