香港城大楊勇教授團隊Nature: 超彈抗極溫高熵艾林瓦合金

【引言】

艾林瓦(elinvar)效應是指材料的彈性模量在溫度變化時保持穩定。開發具有高強度，高彈性極限的埃林瓦合金具有重要的工業應用價值，可以應用于驅動器，醫療器械或其他精密器件等。對于一般塊狀晶體合金而言，由于位錯容易滑移，彈性極限通常小于1%。雖然形狀記憶合金的彈性極限可達數個百分比，然而這來源于偽彈性并伴隨大量能量耗散。近年來，“高熵”合金等復雜成分合金因其優良的性能成為了研究熱點。基于以上研究背景，本工作報導了一種高熵合金，因其具有一般合金中很難看到的高原子尺寸錯配度，從而表現出室溫下超高彈性極限（~2%）與超低內耗（< 2×10^-4）。更有趣的是，這種高熵合金表現出不尋常的艾林瓦效應。其彈性模量在室溫到約1000K仍保持不變，甚至微微升高，而沒有發生任何相變。這種行為是迄今為止報道的合金所無法比擬的，也許可以應用于未來人類的太空探測中。

【成果簡介】

近日，香港城市大學楊勇教授課題組與內地，臺灣，法國以及美國的課題組合作，通過熔煉-銅模鑄造和定向凝固等方法設計并制備了成分為Co₂₅Ni₂₅(HfTiZr)₅₀（原子比）的復雜成分合金。盡管這種合金的平均原子尺寸差達到了11%，應當形成多相或非晶結構，然而結構表征實驗結果（圖1）顯示這種合金為單相B2結構。根據DFT模擬結果（圖2）與STEM結果（圖1c），這是由于原子尺度的化學有序性吸收了原子尺寸差異的影響。由于晶格畸變阻礙了位錯移動，使得該合金在不發生相變的前提下表現出高強度，超高彈性極限（~2%），與超低能量耗散（圖3）。相比于其他合金材料，該合金表現出獨特的艾林瓦效應：隨著溫度升高，該合金的楊氏模量不但沒有下降，反而有微幅提高（圖4a）。根據分子動力學模擬結果（圖4b），Co₂₅Ni₂₅(HfTiZr)₅₀的艾林瓦效應來自于一種新的非相變機制：即熱膨脹和結構無序性下降效應的相互抵消。該成果以題為“A highly distorted ultraelastic chemically complex Elinvar alloy”發表在Nature上。文章共同第一作者為香港城大赫全峰博士，王建國博士（原香港城大訪問學者，現為東莞理工教授），以及臺灣中研院陳信安博士。共同通訊作者為臺灣中研院包純偉教授，香港大學Srolovitz 教授以及香港城大楊勇教授。

【圖文導讀】

圖1. 單晶Co₂₅Ni₂₅(HfTiZr)₅₀合金的結構表征

a. 單相Co₂₅Ni₂₅(HfTiZr)₅₀合金的XRD曲線和EBSD圖像（插圖）；b. APT重建3D元素分布圖；c. 組成元素的頻率分布圖；d-f. 不同軸向（[111]，[011]，和[001]）的STEM-HADDF圖像；g. STEM-EDS在[011]的元素面掃圖。

圖2. Co₂₅Ni₂₅(HfTiZr)₅₀三種不同結構模型的DFT計算結果

a. 三種結構模型的典型原子構型；b. 0K時的模型勢能分布；c. 模型3的體積應變和von Mises 應變分布；d.畸變原子團組簇。

圖3. Co₂₅Ni₂₅(HfTiZr)₅₀ 的機械性能表征

a. 室溫下單晶[111]向與多晶（插圖）Co₂₅Ni₂₅(HfTiZr)₅₀合金的單軸微柱壓縮應力-應變曲線；b. Co₂₅Ni₂₅(HfTiZr)₅₀ 與其他合金材料的強度尺寸比較圖；c. 單晶樣品施加機械載荷時（110）和（001）晶面的面間距變化圖；d. 在[110]方向施加壓應力的應力-應變曲線；f. （110）面和（001）面的2D特征XRD圖案。

圖4. Co₂₅Ni₂₅(HfTiZr)₅₀合金的艾林瓦效應

a. Co₂₅Ni₂₅(HfTiZr)₅₀ 合金的楊氏模量隨溫度變化圖及與其他金屬材料的比較；b. 不同溫度下von Mises應變和體積應變分布圖；c. 0K-1000K內模擬計算的彈性模量；d. 低溫與高溫下畸變晶格示意圖。

【總結】

綜上所述，本文通過實驗和模擬等手段表征了 Co₂₅Ni₂₅(HfTiZr)₅₀ 合金高度的晶格畸變和復雜的原子尺度化學有序性。 由于晶格畸變效應，該合金的位錯運動受到高能量勢壘的阻礙進而表現出極高的彈性極限、非常低的能量耗散和獨特的艾林瓦效應。由于超彈性和極端溫度條件下的模量穩定性，該合金可以應用于極端服役溫度下需要恒定彈性模量的高精度設備中，如太空探測的精密機械計時器等。

文獻鏈接：https://doi.org/10.1038/s41586-021-04309-1。

本文由香港城市大學供稿。