多組元金屬間合金（intermetallic alloys）能于高溫環境中具有高強度，可是在室溫和低溫下延展性不佳，因此限制了這種材料在航天及其他工程領域的應用。然而，由香港城市大學（香港城大）科學家領導的最新一項研究發現，于結構有序的多組元金屬間合金里，晶界之間具有納米級的無序層，能有效解決強度與延展性不可兼得的矛盾，更在高溫下維持材料的高強度，并展現優異的熱穩定性。透過設計類似的納米層，或能為研制具備更佳合金性能的新型結構材料開辟新方法。

該項研究由香港城大杰出教授兼香港高等研究院（HKIAS）資深院士劉錦川教授領導。研究結果剛在頂尖學術期刊《科學》（Science）上發表，題為〈Ultrahigh-strength and ductile superlattice alloys with nanoscale disordered interfaces〉。

多組元金屬間合金的內部結構與金屬一樣，都是由被稱為“晶粒”的晶體組成。這種合金常見的脆性斷裂，通常是由于在拉伸變形過程中，沿著晶界發生的斷裂所致。而添加硼（boron）這種元素一直是改善脆性的傳統方法之一。事實上早在30年前，劉教授已是研究此方法的學者之一。當時他發現將硼添加到二元金屬間合金（即由兩種元素構成，例如Ni₃Al）中，可以增強晶界黏聚力（grain boundary cohesion），從而提高整體的延展性。

意料之外的實驗結果

近年，劉教授在制備塊體金屬間合金的領域取得許多重大進展。金屬間合金又可稱為超晶格合金（superlattice alloy），具有長程有序的原子密排結構。這種材料具備良好的強度，本來很適合高溫下的各種結構應用，但它在室溫下則普遍存在嚴重脆性，并且在高溫下晶粒會快速粗化（即晶粒尺寸增大）及材料會變軟。因此針對上述弱點，這次劉教授及其團隊開發出應用在多組元金屬間合金的“界面納米無序化”新策略，成功令材料于室溫下同時展現出高強度兼延展性，并在高溫下具有優異的熱穩定性。

論文共同第一作者之一、香港城大機械工程學系及HKIAS的博士后研究員楊濤博士介紹說：“我們本來希望透過調控硼的添加份量，以增強晶界黏聚力。而由于測試的金屬間合金是由多種元素組成，我們預期即使增加硼的份量，亦無損其超高的強度。”

根據傳統智慧，添加微量（0.1至0.5原子百分數，即atomic percent，以at. %標示）的硼已經可以增強晶界黏聚力，從而顯著改善拉伸延展性。而當添加大量硼，用這個傳統方法則應該不會有效果。

“可是，當我們在這種多組元金屬間合金里添加大量的硼之后，居然得出完全不同的結果，我甚至一度懷疑是否實驗過程中出了問題。”楊博士憶述。

令強度與延展性可兼得  更奠定熱穩定性

出乎研究人員意料之外的是，當他們將硼的添加份量提高到1.5 至2.5 at. %左右，這些摻雜了硼的合金變得很強，但同時非常有延展性。實驗結果表明，添加了2.5 at. %硼的多組元金屬間合金在室溫下具有1.6 GPa的超高屈服強度和25%的拉伸延展性。

團隊運用不同的透射電子顯微鏡進行研究和分析，首度發現當硼的濃度為1.5 至2.5 at. %時，合金里排列有序的晶粒之間，形成了一層獨特的納米層：每顆晶粒都被一層約5 nm厚的超薄納米層包裹；而此納米層本身的原子結構則是無序（disordered）的。劉教授說：“這種特殊現象是首次被發現和發表的。”

研究團隊的拉伸測試顯示，此納米層在晶粒與晶粒之間充當了緩沖區，令晶界能發生塑性變形，從而造就了在超高屈服強度水平下仍有巨大的拉伸延展性。

 

為何會形成無序納米層 ?

 

研究團隊發現，進一步增加硼的份量會顯著增強 “多元素共同偏析（multi-element co-segregation）”——即是多種元素沿著晶界劃分出來。研究團隊采用香港和華南地區唯一一部、先進的三維原子探針斷層攝影儀（3D APT），觀察到納米層內部含有高濃度的硼、鐵和鈷原子，鎳、鋁和鈦則在納米層里大幅減少。這種獨特的元素分布不均，導致了納米層內的納米級無序化，有效地抑制了沿著晶界發生的斷裂情況，因而增強材料的延展性。

此外，研究團隊在評估合金的熱反應時發現，即使在1050°C的高溫處理120小時后，晶粒尺寸的增大仍然是微不足道。這個結果再次令團隊感到驚訝，因為在高溫下大部分結構材料的晶粒都會快速增大，令強度隨之急降。

開發高溫用途結構材料的新途徑

研究團隊認為，納米層對于抑制晶粒尺寸的增大，以及在高溫下保持其強度至關重要。而無序納米層的熱穩定性，正好令這種合金適合在高溫環境下的結構應用。

 

“在合金中發現這種無序納米層，將對未來研發高強度材料帶來影響，特別是這種方法可以應用于制備于高溫環境下使用的結構材料，例如航空航天、汽車、核能和化學工程。”劉教授總結說。

劉教授是論文的通訊作者。論文的共同第一作者是來自香港城大機械工程學系的楊濤博士和趙怡潞博士。其他來自香港城大的共同作者包括：材料科學講座教授兼香港高等研究院執行院長黃志青教授、核子工程講座教授開執中教授、材料科學及工程學系的李萬鵬、以及三維原子探針聯合研究實驗室的欒軍華博士。

 

這項研究獲得香港城大、香港研究資助局與國家自然科學基金委員會等資助進行。

DOI number: 10.1126/science.abb6830

本文已于 “香港城大研創” 微信公眾號發布。
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