En forskargrupp ledd av City University of Hong Kong (CityU) har utvecklat en strategi för att skapa nya höghållfasta legeringar som är extremt starka, duktil och flexibel. Strategin övervinner de kritiska frågorna i dilemmat med avvägning mellan styrka och duktilitet, bana väg för innovativa strukturella material i framtiden.

Legeringar med flera huvudelement, allmänt kallade högentropilegeringar (HEA), är en ny typ av material konstruerade med lika eller nästan lika stora mängder av fem eller fler metaller. De är för närvarande i fokus inom materialvetenskap och teknik på grund av deras potentiella strukturella tillämpningar. Ändå delar de flesta av legeringarna samma skadliga egenskap:Ju högre hållfasthet legeringen har, ju mindre duktilitet och seghet, vilket innebär att starka legeringar tenderar att vara mindre deformerbara eller sträckbara utan brott.

Nyligen, dock, en studie ledd av professor Liu Chain Tsuan, Universitetsframstående professor vid institutionen för materialvetenskap och teknik vid CityU, har hittat en banbrytande lösning på detta skrämmande årtionden långa dilemma – att tillverka högentropilegeringar genom massiv utfällning av partiklar i nanoskala. Denna spetsforskning har precis publicerats i det senaste numret av den prestigefyllda tidskriften Vetenskap , med titeln "Multikomponent intermetalliska nanopartiklar och suveräna mekaniska beteenden hos komplexa legeringar."

Lösa avvägningen mellan styrka och duktilitet

"Vi kan göra en ny högentropilegering som heter Al ₇ Ti ₇ ((FeCoNi) ₈₆ -Al ₇ Ti ₇ ) med en överlägsen styrka på 1,5 gigapascal och duktilitet så hög som 50 procent i spänning vid omgivningstemperatur. Stärkt av nanopartiklar, denna nya legering är fem gånger starkare än den för den järn-kobolt-nickel (FeCoNi)-baserade legeringen, säger professor Liu.

"De flesta konventionella legeringar innehåller en eller två huvudämnen, såsom nickel och järn att tillverka, " förklarar han. "Men, genom att lägga till ytterligare element av aluminium och titan för att bilda massiva fällningar i den FeCoNi-baserade legeringen, vi har funnit att både styrkan och duktiliteten har ökat avsevärt, lösa den kritiska frågan om avvägningsdilemmat för strukturella material."

Dessutom, höghållfasta legeringar vanligtvis möter plastisk deformationsinstabilitet, känt som nackningsproblemet, vilket betyder att när legeringen har en hög hållfasthet, dess deformation skulle bli instabil och mycket lätt leda till halsbrott (lokaliserad deformation) med mycket begränsad enhetlig förlängning. Men teamet har vidare funnit att genom att lägga till multikomponent intermetalliska nanopartiklar, som är komplexa nanopartiklar gjorda av olika grundämnen, det kan likformigt stärka legeringen genom att förbättra deformationsinstabiliteten.

Ta itu med "halsproblemet"

Och de har hittat den idealiska formeln för dessa komplexa nanopartiklar, som består av nickel, kobolt, järn, titan- och aluminiumatomer. Professor Liu förklarar att varje nanopartikel mäter 30 till 50 nanometer. Järn- och koboltatomerna som ersätter några av nickelkomponenterna hjälper till att minska valenselektrondensiteten och förbättra den nya legeringens duktilitet. Å andra sidan, att ersätta en del av aluminiumet med titan minskar i hög grad påverkan av fukt i luften för att undvika inducerad sprödhet i denna nya starka legering.

"Denna forskning öppnar upp en ny designstrategi för att utveckla superlegeringar, genom att konstruera flerkomponents nanopartiklar för att stärka komplexa legeringar för att uppnå suveräna mekaniska egenskaper vid rumstemperaturer och förhöjda temperaturer, säger professor Liu.

Han tror att de nya legeringarna som utvecklats med denna nya strategi kommer att fungera bra i temperaturer från -200°C till 1000°C. Därför kan de fungera som en bra bas för att vidareutveckla för strukturell användning i kryogena enheter, flygplan och flygsystem och vidare.