城大材料科學家找製造耐熱高熵合金新方法
納米顆粒已被廣泛應用於開發高強度的結構應用材料。然而，這些納米顆粒很多時因熱穩定性不足致難耐高溫，在高熱環境下會迅速粗化，令合金變弱。由香港城市大學（城大）材料科學家領導的最新研究發現，透過在高熵合金（又稱化學複雜合金）中調整鈷元素的濃度，可以防止納米顆粒在高溫下快速粗化。這種新穎的穩定策略，為將來設計適用於各種工程領域的新型熱穩定化學複雜合金開闢了新道路。
納米顆粒強化技術，是指在製作合金的過程裡，藉著加入納米顆粒以強化合金，這技術已被公認為創造具有獨特結構和功能的物料的有效策略。這強化技術已被廣泛應用於研發高強度物料如先進鋁合金、鋼和超級合金。但是這些納米級的精細顆粒通常熱穩定性很差，故在高溫下容易迅速粗化。這大大降低了合金材料在高溫下的承載能力，有可能導致材料斷裂或其他災難性的後果。
為了克服這一難題，一支由城大材料科學家共同領導的研究團隊努力尋求突破，近日便發現了透過調整鈷的濃度，可以定量控制高熵合金的「緩慢晶格擴散效應」（sluggish lattice diffusion, SLD），從而有效地防止納米顆粒在高達攝氏1,000度的高溫下迅速粗化。
（圖片來源︰Xiao, B. et al./ DOI:10.1038/s41467-022-32620-6）
負責這項研究的城大材料科學及工程學系助理教授楊濤博士說：「我們的研究成果開闢出一條非常有效的新路徑，有助精準地設計具出色熱穩定性及機械性能的高性能合金，可應用於高溫下的結構。」今次的研究成果，已發表於科學期刊《自然通訊》，標題為〈Achieving thermally stable nanoparticles in chemically complex alloys via controllable sluggish lattice diffusion〉。
緩慢晶格擴散效應，是指在「構型熵」（configurational entropy）較高的合金中，個別元素的擴散速度比在「構型熵」較低的合金之中來得慢。這種效應有潛力令數種高熵合金具備顯著的熱穩定性。不過，緩慢晶格擴散效應背後的機制為何，至今仍是個謎。
（圖片來源︰Xiao, B. et al./ DOI:10.1038/s41467-022-32620-6）
在今次的研究中，通過結合各種實驗技術和理論模擬，研究團隊揭示了原來鈷元素可以透過降低合金的相互擴散系數（描述物料內部原子流動性的參數），有效地觸發「鎳-鈷-鐵-鉻-鋁-鈦」合金（NiCoFeCrAlTi alloy）系統中，獨特的緩慢晶格擴散效應。他們的實驗結果證明，增加鈷的濃度可以顯著地大幅減少納米顆粒的平均大小，從而進一步提高這些納米顆粒的熱穩定性。
此外，調整鈷的濃度亦可以顯著降低高熵合金中其他主要成分的相互擴散系數，對攝氏800度高溫下鋁元素的影響尤其顯著。總括而言，研究團隊開發出一種可控的緩慢晶格擴散策略及技術，在高達攝氏800至1000度的高熱環境中，仍可令高熵合金裡的納米顆粒結構，維持超穩定狀態。
「根據傳統的科學觀點，通常是透過添加錸（rhenium）等耐高温的元素來達至納米顆粒的穩定性，但我們的研究開發出一種與傳統截然不同的嶄新納米顆粒穩定機制。」
楊博士進一步解釋今次研究的重要性：「這新的穩定策略，可以進一步引領具有優越微結構穩定性的化學複雜合金的開發，並有潛力可應用於其他金屬合金。它也為開發下一代的高強度高熵合金開闢了新的研究道路，新的高強度高熵合金將可應用於高溫及極端的不同工程領域，包括航空航天、汽車和核工程等。」
研究論文的第一作者是肖博博士，通訊作者是楊博士和城大機械工程學系開執中教授。其他合作者包括城大的劉錦川教授、欒軍華博士和趙仕俊博士，以及來自中南大學、哈爾濱工業大學（深圳）和天津大學的研究人員。
研究的資金來源包括城大、香港研究資助局、中國國家自然科學基金以及廣東省基礎與應用基礎研究基金。