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城大科研突破 製超強韌新合金


(Front row, from left) Chair Professor Kai Jijung, Professor Liu Chain-tsuan, Dr Jiao Zengbao, (back row, from left) Dr Zhao Yilu, Dr Yang Tao and Dr Luan Junhua, Senior Research Associate at the Inter-University 3D Atom Probe Tomography Unit.
(前排左起)開執中教授、劉錦川教授、焦增寶博士、(後排左起)趙怡潞博士、楊濤博士及三維原子探針聯合研究實驗室高級副研究員欒軍華博士。

 

香港城市大學(城大)領導的一支研究團隊研發了全新的策略,可製造出高強度高韌性的新型合金。該項研究為一個困擾了材料科學界數十年的難題找到全新的解決方法,帶來突破性進展。

這種合金極其堅固,又兼具延展性和韌性,有望在極低溫及極高溫的環境下仍能保持優異的性能,為進一步研發超低溫設備和航空高溫系統等奠下基礎。

新型合金改良自「多主元合金」。「多主元合金」一般稱為「高熵合金」,是由五種或更多種等量或相近等量的金屬製成的新型材料,在結構應用方面具有很大潛力,故在材料科學及工程領域上備受關注。然而,隨着合金的強度增加,其延展性和韌性卻會相應減低,因此堅固的合金較難變形或被拉伸而不斷裂。

該項研究由城大材料科學及工程學系、大學傑出教授劉錦川教授領導,剛於最新一期的頂尖學術期刊《科學》發表,題目是「多組元金屬間納米顆粒和複合合金的優越機械性能」。

劉教授說︰「大部分常見的合金由一至兩種主要元素,如鎳和鐵製造。我們發現,通過在鐵鈷鎳合金中加入鋁和鈦,生成大量的複合納米顆粒,合金的強度和延展性都顯著提高,解決了結構材料中強度與延展性兩者難以兼得的關鍵問題。這種新型合金較以鐵、鈷、鎳製成的基體合金堅固五倍,延展性亦提高了1.5倍。」

一直以來,高強度合金在塑性變形的過程中,很容易出現頸縮斷裂(局部變形)而導致斷裂。但研究團隊發現,由鎳、鈷、鐵、鈦和鋁原子組成的複合納米顆粒,可大大提升合金的均勻塑性變形能力,並已找出理想配方。劉教授解釋說,以鐵和鈷原子取代部分鎳,有助增強新合金的延展性;用鈦取代部分鋁,則大大減低空氣中水分令合金脆化的機會。

New super alloy is extremely strong, yet ductile and flexible.
新合金極其堅固,又兼具延展性和韌性。

 

劉教授相信,採用這種創新策略製造的新型合金,在零下200度以至1,000度高溫下都將擁有良好的性能;該策略也將為研發新型超低溫設備、飛機和航空等高溫系統提供重要基礎。

參與這項研究的其他團隊成員包括城大博士生、現任材料科學及工程學系高級副研究員楊濤博士,城大機械工程學系講座教授開執中教授、助理教授胡琪怡博士、博士後研究員趙怡潞博士仝陽博士魏傑博士、博士生陳達先生,以及香港理工大學機械工程學系助理教授焦增寶博士、北京工業大學固體微結構與性能研究所韓曉東教授蔡吉祥博士、中國科學院金屬研究所瀋陽材料科學國家實驗室主任盧柯教授及中南大學粉末冶金研究院院長、粉末冶金國家重點實驗室劉詠教授