香港城市大学开发新技术 用于制造热稳定高熵合金

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目前，纳米颗粒已经被用于为结构应用开发高强度材料。然而，纳米颗粒往往具有热不稳定性，在高温环境中容易快速粗化。

（图片来源：香港城市大学）

据外媒报道，由香港城市大学（City University of Hong Kong，CityU）材料科学家负责的最新研究发现，调整高熵合金（也称为化学复合合金）中的钴浓度，可以阻止纳米颗粒在高温下快速粗化。这一策略开辟了新的途径，有助于未来设计新型热稳定化学复合合金，用于各种工程领域。

在创造具有独特结构和功能的材料方面，纳米颗粒强化技术被视为一种强有力的策略，即在合金化过程中通过添加纳米颗粒来强化合金。这项技术已被广泛用于制造新型高强度材料，如先进的铝合金、钢和高温合金。但这些细小的纳米级颗粒的热稳定性差，在高温下容易快速粗化，大大降低了主体材料的承载能力，导致发生断裂或其他严重的故障。

在这项研究中，研究团队发现，通过调整钴浓度，可以定量控制高熵合金的“缓慢晶格扩散”（sluggish lattice diffusion）效应，从而在高达1000°C的温度下充分防止纳米颗粒快速粗化。研究负责人、CityU材料科学与工程系Yang Tao博士表示：“对于有针对性地设计高性能合金，使其具有优异的热性能和机械性能，以用于高温结构应用，这项研究开辟了一条非常有效的途径。”

缓慢晶格扩散效应，即在高构形熵合金中单个元素的扩散比低构形熵合金慢，可能赋予一些高熵合金显著的热稳定性。然而，目前缓慢晶格扩散效应的潜在机制尚不明了。

通过互补结合各种实验技术和理论模拟，该研究团队观察到，钴可以通过降低其他元素的相互扩散系数（用于描述材料中原子迁移率的参数），有效触发镍-钴-铁-铬-铝-钛（NiCoFeCrAlTi）合金体系中独特的缓慢晶格扩散效应。结果发现，增加钴浓度可以大幅减小平均粒径，并进一步提高这些纳米颗粒的热稳定性。此外，在800°C的条件下调整钴浓度，可以显著降低所有高熵合金主要成分的相互扩散系数，尤其是铝。

该团队开发的可控缓慢晶格扩散策略，可以在800 ~ 1000°C的高熵合金体系中实现超稳定的纳米结构。Yang博士表示：“这项研究发现了一种新型纳米颗粒稳定机制。与之截然不同，传统观点认为，纳米颗粒的稳定性是通过添加铼等难熔元素来实现的。

“这种新策略可以进一步指导开发新型化学复合合金，使其具有卓越的微结构稳定性，并可能应用于其他金属合金。这为开发坚固的下一代高熵合金铺平了道路。这些合金可用于各种工程领域的极端高温环境，如航空航天、汽车设计和核工程。”