香港城大劉錦川Science：超级高熵合金，纳米制造！

晴天

2018-11-23

第一作者：T. Yang

通讯作者：C. T. Liu

通讯单位：香港城市大学

研究亮点：

1. 设计了一种多元间金属构造的高塑性纳米颗粒。

2. 构建了一种强度和塑性兼得的超级高熵合金。

高熵合金（High-entropy alloys）简称HEA，是由五种或五种以上等量或大约等量金属形成的合金。由于高熵合金可能具有许多理想的性质，因此在材料科学及工程上备受重视，广泛研究。自古以来，金属材料强度与塑性难以兼得。在保证塑性的前提下，提高金属合金的强度并非易事！然而，科学家就是喜欢攻坚克难，一次又一次地打破了这一魔咒。高熵合金，就是其中的先锋代表。

譬如，北京科技大学吕昭平教授团队上周刚刚在Nature发表文章，他们以等原子比TiZrHfNb高熵合金为模型合金，添加适量的氧，发现间隙原子在合金中存在另外一种尚未被人们所发现的新的存在状态——有序间隙原子复合体（ordered interstitial complexes），这是一种介于常规随机间隙原子和陶瓷相之间的新的间隙原子存在状态，这一有序间隙原子复合体结构能够显著提高合金的强度和塑性。

有鉴于此，香港城市大学C. T. Liu团队设计了一种高塑性的多元间金属纳米颗粒，并基于此实现了兼具强度与塑性的超级高熵合金：混有Al-Ti纳米颗粒的Fe-Ni-Co多元合金。

图1. 组成设计与微结构表征

研究人员将以塑性无序多组分基体FCC型Fe-Co-Ni和塑性有序的多组分间金属纳米颗粒Al-Ti进行纳米复合，实现了强度与塑性的平衡。基于这一原理，研究团队设计了一系列超级合金，包括(FeCoNi)₈₆-Al₇Ti₇ (Al7Ti7) and(FeCoNi)₈₆-Al₈Ti₆ (Al8Ti6)。

研究表明，超级合金的关键在于组成调控，Fe-Ni-Co与Al-Ti纳米颗粒可以发生反应，从而实现高熵合金的强度和塑性的同时增强，有效地避免了环境脆裂。室温下强度最高可达1.5 GPa，塑性可达到50%受拉。经过冷加工硬化行为，有效地避免了高强度金属的塑性不稳定行为。

总之，这项研究为高强度和高塑性的高熵合金的设计和发展，提供了新策略和新思路。

图2. MCINP空间组成和多元特性

图3. MCINPS在常温下的高强度和高塑性

图4. MCINPS在室温下的冷加工硬化行为变形微观机理

参考文献：

T. Yang, C. T. Liu et al. Multicomponentintermetallic nanoparticles and superb mechanical behaviors of complex alloys.Science 2018, 362, 933-937.

http://science.sciencemag.org/content/362/6417/933