城大材料科学家发现创造热稳定高熵合金的新方法

纳米颗粒已被用于开发高强度的结构应用材料。但是这些纳米颗粒往往是热不稳定的，导致在高温环境下迅速变粗。由香港城市大学(城大)材料科学家领导的最新研究发现，调整高熵合金(也称为化学复杂合金)中钴的浓度，可以防止纳米粒子在高温下快速粗化。这种新颖的稳定策略为未来设计用于各种工程领域的新型热稳定化学复合合金开辟了一条新途径。

纳米粒子强化技术--通过在合金化过程中添加纳米粒子来强化合金--被认为是创造具有独特结构和功能特性的材料的强大战略。这已被广泛用于创新高强度材料，如高级铝合金、钢和超级合金。但是，这些纳米级的细小颗粒的热稳定性很差，在高温下容易迅速粗化，这大大降低了主材料的承载能力，从而导致其断裂或其他灾难性的故障。

为了克服这一障碍，一个由城大材料科学家共同领导的研究小组最近发现，调整钴的浓度可以以定量的方式控制高熵合金的 "迟缓晶格扩散 "效应，大大防止纳米颗粒在高达1000℃的高温下迅速粗化。

"领导这项研究的城大材料科学与工程系(MSE)的杨涛 博士说："我们的发现为有针对性地设计具有优良热和机械性能的高性能合金铺平了一条非常有效的途径，用于高温结构应用。该研究结果发表在科学杂志《 自然通讯》上，标题为"通过可控的迟缓晶格扩散在化学复杂的合金中实现热稳定的纳米颗粒"。

迟缓的晶格扩散效应意味着配置熵较高的合金中个别元素的扩散比配置熵较低的合金慢。这有可能赋予几种高熵合金以显著的热稳定性。但迟缓的晶格扩散效应的基本机制仍然是未知的。

在这项研究中，通过各种互补的实验技术和理论模拟的结合，研究小组发现，钴可以通过降低其他元素的相互扩散系数(描述材料中原子流动性的参数)，有效地在镍钴铁铬铝钛(NiCoFeCrAlTi)合金系统中引发独特的迟缓晶格扩散效应。他们发现，增加钴的浓度可以大幅减少平均颗粒大小，并进一步提高这些纳米颗粒的热稳定性。

此外，调整钴的浓度导致所有主要构成的高熵合金，特别是铝，在800℃下的相互扩散系数明显降低。

研究小组开发的可控迟缓晶格扩散策略可以在800至1000℃的高熵合金系统中实现超稳定的纳米结构。

"杨博士解释说："我们发现了一种新的纳米粒子稳定机制，它与传统的观点截然不同，即纳米粒子的稳定是通过添加难熔元素(如铼)实现的。

"这种新策略可以进一步指导具有卓越微观结构稳定性的新型化学复杂合金的开发，并有可能应用于其他金属合金。他说："这为开发强大的下一代高熵合金铺平了道路，这些合金可以在各种工程领域的极端高温环境中使用，例如航空航天、汽车设计和核工程。

该研究的第一作者是肖波博士。通讯作者是MSE的杨博士和MNE的Kai Jijung教授。 其他合作者包括来自城大的刘连锁教授、 栾俊华博士 和赵世军博士，以及来自中南大学、哈尔滨工业大学(深圳)和天津大学的研究人员。

研究的资金来源是城大、香港研究资助局、中国国家自然科学基金和广东省基础与应用基础研究基金。