近幾十年來，材料研究與開發(fā)（R&D）的進(jìn)展大大加快，人們對(duì)單元素材料和二元化合物材料的了解也相對(duì)深入。然而，我們目前對(duì)材料的了解仍停留在初級(jí)階段。我們對(duì)三元化合物的了解十分有限，而對(duì)四元和更高級(jí)的化合物材料則知之甚少。傳統(tǒng)的材料研發(fā)（R&D）模式既昂貴又低效，每種新材料的開發(fā)從最初的研究到應(yīng)用大約需要十年時(shí)間。為此，美國(guó)發(fā)起了“材料基因組計(jì)劃”。根據(jù)華盛頓大學(xué)經(jīng)濟(jì)政策研究中心和 RTI 國(guó)際咨詢公司 2018 年進(jìn)行的分析，材料基因組計(jì)劃的成功實(shí)施減少了材料研發(fā)過程中一半風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生，將從研發(fā)到應(yīng)用的風(fēng)險(xiǎn)降低了三分之一，并將研發(fā)成本控制在原來的三分之二。每年的直接或間接經(jīng)濟(jì)效益可達(dá) 1,230-27,000 億美元。隨后，世界其他國(guó)家也啟動(dòng)了類似的計(jì)劃，這些項(xiàng)目帶動(dòng)了用于材料研發(fā)的高通量實(shí)驗(yàn)技術(shù)的快速發(fā)展，在金屬、陶瓷和聚合物方面取得了顯著成果。高通量制備技術(shù)在材料科學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域得到了快速發(fā)展，材料薄膜組合制備、激光快速成型和擴(kuò)散多節(jié)點(diǎn)制備等方法已成為高效獲取材料成分-相-結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系所必需的實(shí)驗(yàn)工具。目前使用的快速實(shí)驗(yàn)技術(shù)大多集中于尋找新材料，而針對(duì)材料后續(xù)優(yōu)化的平行實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究較少。熱處理是材料優(yōu)化的一個(gè)重要步驟。大多數(shù)熱處理工藝都采用傳統(tǒng)的加熱方法，一般只能產(chǎn)生一個(gè)溫度區(qū)。這給高通量熱處理實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)帶來了問題。熱處理在材料開發(fā)中占有重要地位，但傳統(tǒng)的熱處理方法一次只能開發(fā)一個(gè)目標(biāo)溫度/周期，影響了新材料開發(fā)的實(shí)驗(yàn)效率。

來自北京科技大學(xué)、鋼鐵研究總院和鋼研納克檢測(cè)技術(shù)股份有限公司的學(xué)者引入了高通量實(shí)驗(yàn)的使用，將傳統(tǒng)的順序迭代法改為并行處理，開發(fā)了一種高效的多溫場(chǎng)熱處理方法。該方法采用微波輻射作為加熱源，利用微波的選擇性加熱能力，產(chǎn)生 100 個(gè)溫度區(qū)，可同時(shí)對(duì) 100 個(gè)單獨(dú)的薄片樣品進(jìn)行熱處理。該方法結(jié)合了各種快速表征技術(shù)，可在短時(shí)間內(nèi)獲得大量表征數(shù)據(jù)。獲得的數(shù)據(jù)可以上傳到高通量材料數(shù)據(jù)庫(kù)，為后續(xù)研究提供數(shù)據(jù)支持。在本研究中，高碳高鉻鋼在 109-786 ℃ 下進(jìn)行了平行回火熱處理。根據(jù)平行回火后微觀結(jié)構(gòu)和性能的變化，得出了回火溫度與材料微觀結(jié)構(gòu)和性能之間的關(guān)系，并以此驗(yàn)證了該方法的可行性。相關(guān)工作以題為“Development of high-throughput rapid heat-treatment and characterization process”的研究性文章發(fā)表在Acta Materialia。

論文鏈接： https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.119365

圖 1. 高通量熱處理實(shí)驗(yàn)程序。

圖 2. 高通量熱處理過程中的微波功率變化

圖 3. 高通量微波熱處理裝置。

圖 4. 高通量微波熱處理裝置中的溫度分布：（a）紅外測(cè)溫儀溫度分布圖；（b）高通量微波熱處理裝置溫度誤差；（c）一次回火溫度分布；以及（d）二次回火溫度分布。

圖 5. 高碳高鉻鋼的 XRD 圖樣：（a）淬火狀態(tài)的高碳高鉻鋼；（b）高溫回火狀態(tài)的高碳高鉻鋼；（c）高通量熱處理前的高碳高鉻鋼；以及（d）高通量熱處理后的高碳高鉻鋼。

圖 6. 回火溫度與相含量的關(guān)系：（a）回火溫度與碳化物含量的關(guān)系；（b）回火溫度與 γ 相含量的關(guān)系。

圖 7. 淬火狀態(tài)下高碳高鉻鋼的掃描電鏡圖像。

圖 8. 回火高碳高鉻鋼的硬度和相應(yīng)的顯微組織：（a）高通量回火前后高碳高鉻鋼的硬度；（b）109-282℃ 回火后的典型顯微組織；（c）282-425℃ 回火后的典型顯微組織；（d）425-643℃ 回火后的典型顯微組織；以及（e）643-786℃ 回火后的典型顯微組織。

本研究提出了一種材料熱處理和表征的快速方法。該方法包括對(duì)材料進(jìn)行高通量熱處理，對(duì)熱處理后的樣品進(jìn)行高通量表征，以及將表征數(shù)據(jù)匯總到并行處理數(shù)據(jù)庫(kù)中。具體來說，高通量微波熱處理設(shè)備是這一過程的核心部分，能夠?yàn)?100 個(gè)樣品的熱處理生成 100 個(gè)溫度區(qū)域。該方法還能將熱處理對(duì)象從單一樣品變?yōu)椴牧系慕M合。這進(jìn)一步提高了熱處理的效率。對(duì)熱處理過程的研究還能為材料基因組數(shù)據(jù)庫(kù)提供大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，從而改進(jìn)材料計(jì)算模型。該實(shí)驗(yàn)方法適用于不能直接用微波加熱的非吸收體材料，如金屬、陶瓷、聚合物和復(fù)合材料。特別是，它對(duì)開發(fā)一些新的系統(tǒng)材料（如高熵合金）非常有用。由于高熵合金成分的可選擇性范圍大、組合多，因此在新材料開發(fā)的早期階段缺乏可用的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。本實(shí)驗(yàn)方法可在短期內(nèi)提供大量相關(guān)數(shù)據(jù)，加快材料開發(fā)進(jìn)度。

然而，不同材料熱處理的溫度選擇范圍差異巨大，例如，中錳鋼淬火匹配的最高溫度為 850 ℃，一些鋁合金的固溶和時(shí)效溫度低于 500 ℃。一些高熵合金的老化溫度高于 1100 ℃。每個(gè)吸收器都是獨(dú)立的，因此可以改變吸收器的大小和位置，并將高通量微波熱處理設(shè)備的溫度調(diào)整到實(shí)驗(yàn)所需的溫度范圍。這種方法在溫度選擇上的靈活性使其適用于各種熱處理溫度要求的材料，因此具有普遍性。這種方法還能根據(jù)表征需要自由改變熱處理樣品的形狀和大小，適用于目前使用的大多數(shù)高效表征方法。