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>解决合金的强度 - 延展性的折衷和热不稳定性:>在金属间合金无序的纳米层的发现

(A)原子映射使用3D-APT显示各元素的分布重建。铁(Fe),钴(Co),和硼(B)的富集的(在颜色变深),在该纳米层,而镍(Ni),铝(Al),和钛(Ti)被耗尽(颜色较浅)相应。(B)和(C)也示出了相同的结果。CREDIT图片来源:DOI号:10.1126 / science.abb6830
(A)原子映射使用3D-APT显示各元素的分布重建。铁(Fe),钴(Co),和硼(B)的富集的(在颜色变深),在该纳米层,而镍(Ni),铝(Al),和钛(Ti)被耗尽(颜色较浅)相应。(B)和(C)也示出了相同的结果。CREDIT图片来源:DOI号:10.1126 / science.abb6830

抽象:
金属间合金潜在地具有在高温环境下的高强度。但是,他们通常遭受在室温和低温下的延展性差,因而限制了其在航空航天等工程领域的应用。然而,一个研究小组由香港城市大学(城大)的科学家领导最近发现在晶界无序的纳米层在有序金属合金。这些纳米层,不仅可以解决强度和延展性有效地之间的不可调和的矛盾,同时也保持了合金的在高温下具有优良的热稳定性强。设计类似的纳米层可打开的新结构材料的设计具有最佳合金性能的途径。

解决合金的强度 - 延展性的折衷和热不稳定性:在金属间合金无序的纳米层发现

中国香港|发表于2020年7月24日

这项研究是由刘教授连锁tsuan的带领下,香港城市大学的大学特聘教授及香港高级研究所(HKIAS)的高级研究员。这项研究结果刚刚发表在著名科学杂志科学,标题为“超高强度和韧性超晶格合金纳米无序接口”。

就像金属,金属间化合物的合金的内部结构由个别结晶区域的知道为“颗粒”。在金属间合金通常的脆性通常归因于拉伸变形过程中沿着其晶界的裂纹。添加硼元素的化合合金已经克服了脆性的传统方法之一。刘教授实际上是那些谁在30年前研究过这个方法之一。当时,他发现,添加硼与二元金属间合金(构成两个元素,如Ni3Al基)增强了晶界的凝聚力,从而提高其整体的延展性。

令人惊奇的实验结果

近年来,刘教授已实现批量开发合金的金属间化合物许多伟大的进步(间合金也被称为超晶格合金,具有远距离构建,原子紧密堆积的有序结构)。这些材料具有良好的强度是用于高温结构应用非常有吸引力的,但通常从在环境温度下严重的脆性,以及快速晶粒粗化(晶粒尺寸即生长)和在高温下软化受到影响。所以这一次,刘教授和他的团队已经开发出了新的“界面纳米无序”的策略在多元素化合合金,这使得高强度,在室温下大延展性以及在高温下优异的热稳定性。

“我们最初试图做的是通过优化硼的含量来增强晶界的凝聚力,”杨涛博士,机械工程(跨国公司)和国际会计准则的城大系博士后研究员,谁也是共同的一个说论文的作者 - 第一。“我们预计,随着我们加大硼量,合金将保留超高强度,由于其多元素的成分。”

根据传统的智慧,加入微量(0.1〜0.5原子百分比(at。%))硼的显着改善,通过增加晶界的凝聚力它们的拉伸延展性。当添加硼的过量,这种传统的做法是行不通的。“但是,当我们添加硼的含量过多,本多间合金,我们获得了完全不同的结果。有一次,我想知道,在实验过程中无论什么地方出了错,”杨医生回忆说。

球队的惊喜,在增加时,硼高达1.5〜2.5。%,这些掺硼合金变得非常强劲,但高韧性。实验结果表明,与2中的金属间合金中。硼的%具有1.6千兆帕斯卡与在环境温度下的25%的拉伸延展性的超高屈服强度。

通过不同的传输电镜研究,团队发现,当硼的浓度范围为1.5至2.5原子。%时,相邻的有序的晶粒之间形成了鲜明的纳米层。各颗粒物约5纳米的超薄这种纳米涂层内封装厚。而纳米层本身具有无序的原子结构。“这种特殊的现象,从来没有被发现和之前报道的,”刘教授说。

它们的拉伸试验表明,该纳米层用作相邻晶粒之间的缓冲区,这使得能够塑性变形在晶界,从而导致较大的拉伸延展性的超高屈服强度水平。

为什么无序纳米层形成的呢?

小组发现,在硼的进一步增加,显着增强了“多元素共分离” - 沿晶界的多个元素的分区。随着城大先进的三维原子探针断层扫描(3D APT),其在香港和中国南部唯一的一个,他们观察到这些纳米层内硼,铁和钴原子的高浓度。与此相反,镍,铝和钛在很大程度上耗尽那里。这种独特的元素划分,因此,引起的纳米级有效地抑制沿晶界裂缝和提高延展性纳米层内无序。

Moreover, when evaluating the thermal response of the alloy, the team found that the increase in grain size was negligible even after 120 hours of annealing at a high temperature of 1050�C. This surprised the team again because most of the structural materials usually show the rapid growth of grain size at high temperature, resulting in strength decrease quickly.

用于开发结构的材料用于高温用途的新途径

他们认为,纳米层在抑制晶粒生长的关键,并保持其在高温下的强度。和无序纳米层的热稳定性将使得这种类型的合金适合用于高温结构应用。

“此无序纳米层的合金中的发现将是有影响力到的高强度材料在今后的发展,特别是,这种方法可以适用于结构材料在高温设置,如航空航天,汽车,核电应用,和化学工程,”刘教授说。

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刘教授是论文的通讯作者。共同第一作者是杨涛博士和赵一路从博士城大跨国公司的部门。来自香港城市大学的其他合着者包括:黄芷晴教授,材料科学与HKIAS的执行董事讲座教授,凯Jijung教授,核能工程学系讲座教授,黎湾棚从材料科学与工程系,栾俊华博士在大学间的3D APT单位。

该资金支持的研究包括香港城市大学,香港研究资助局和中国国家自然科学基金。

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联系方式:
P. K.李

852-344-28925

香港版权所有©城市大学

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