材料学家加紧研发下一代合金：更硬更韧更延展

探索的空间仍然很大，目前我们只看到宇宙的一小部分。

埃姆斯实验室的高熵合金制造设备。资料来源:杰森·爱德华兹/盖蒂

乍一看，该设备看起来像一个正在建设中的微型景观。一圈喷嘴加热从四个喷嘴喷出的金属粉末，形成向下的光束，熔化碰撞的粒子。然后，混合物凝结成颗粒，形成逐渐生长的小柱状合金。一旦合金柱达到2厘米的高度，平台将其移动到一边，然后设备建造另一边。

几乎看不到一丝过往的美丽

事实上，这些金属柱“诞生”于爱荷华州的艾姆斯实验室，反映了科学家对合金看法的重大变化。从古代铸剑至今，制造合金的标准技术一直被用于制造发动机叶片，也就是说，将有用的金属与一系列可以提高性能的东西混合，比如在铁中添加碳来制造钢。

然而，该设备正在制作高熵合金实验样品，这些样品是由四种或五种甚至更多的元素严格按比例混合而成的。这种看似简单的配方可以生产比传统材料更轻、更强的合金，并且更耐腐蚀、更耐辐射。最后，研究人员希望这种方法能够生产出具有前所未有的磁性或电性能的合金，并形成新一代技术。

中国北京科技大学新金属国家重点实验室张勇认为，“我们已经探索了传统金属的几乎所有方面，对高熵合金的研究是全新的”。虽然高熵合金还没有从实验室推广到市场，但研究人员期望在高温衬里和超轻空间材料中获得潜在的应用。

美国帕特森空军基地的实验室材料科学家丹尼尔·奇迹认为，“我们谈论的不仅仅是一种材料，而是如何混合元素的哲学”。"找到新的令人兴奋的东西的机会很大。"去年，他和他的同事们估计，从一组26种元素中，可以提取3、4、5和6种金属元素并混合，得到大约313，560种不同的合金。

然而，德国波鸿鲁尔大学的材料工程师伊索·格奥尔格认为，并非所有的混合物都能起作用。科学家们仍在研究哪些有效，哪些无效。他认为“探索的空间仍然很大，我们目前只看到宇宙的一小部分”。

更轻更强

高熵合金的概念是由中国*科学家叶军伟于1995年提出的。叶军伟认为传统合金的物理特性已经得到了很好的研究。在原子水平上，纯金属有规则的晶体结构——由相同的原子层层堆叠。有时，这些层很容易相互滑动，表明金属非常软，不能使用，这就是纯金只能用于珠宝的原因。然而，向金属中添加不同原子尺寸的元素可以减少滑动趋势，从而产生更硬的合金。精确的混合物允许冶金学家控制合金的腐蚀或熔点。

但是叶军伟也意识到了潜在的复杂性。如果加入太多元素，混合物会变脆。因此，他发现如果一种或两种元素与一种主要材料混合，为什么不将四种、五种或更多元素以相等的比例混合呢？不同的原子有大量可能的排列，导致高熵，从而消除任何形成规则晶体结构的趋势。因为每个随机混合元素的大小不同，所以它们不太可能互相滑动，从而形成非常坚硬的材料。

当然，这在当时是个奇怪的想法。即使在他自己的实验室里，叶军伟也没有把它放在首位。直到2004年，他的团队第一次混合了5-10种元素，得到了比不锈钢更硬的合金。

高熵合金领域发展迅速。2009年，张勇报告了一种含有钴、铬、铜、铁、镍和铝的合金，其硬度是纯铝的14倍，韧性几乎是纯铝的3倍。2011年，叶军伟报告称，钴、铬、铁、镍、铝和钛合金的耐磨性是普通耐磨钢的两倍。2014年，乔治和他的团队研究的钴、铬、铁、镁和镍合金在液氮温度下不会变脆。该材料适用于低温设备，如天然气管道和航天器。

此外，美国能源部劳伦斯·伯克利国家实验室和橡树岭国家实验室联合开发了一种高熵合金，称为铬锰铁钴镍。经过测试，它不仅是有记录以来最硬的材料之一，而且在低温下具有改进的强度和延展性。

研究人员称，铬锰铁钴镍合金在低温下能显示出非凡的强度、延展性和硬度。关键在于“纳米配对”效应，即在变形过程中，相邻晶格区的原子排列形成彼此的镜像。伯克利实验室的材料科学家罗伯特·里奇(Robert Ritchie)说:“这表明它不仅具有大多数金属在环境温度下的光滑位错机制，还具有塑性机制。在低温下，材料经历塑性变形以产生纳米对，这导致连续的机械硬化以防止由早期损伤引起的局部变形。”

传统合金制造方法的一个不变的特点是，一种元素是主要成分，其余是少量添加的。其机械性能通常取决于第二相状态的出现。“高熵合金从根本上违背了传统方法。它的性能不是来自合金中的每一种成分或第二相状态。里奇说，“高熵的概念意味着随着合金元素的增加，它们的构型熵也增加，这抵消了它们形成化合物并成为单相材料(如纯金属)的趋势。”

太多选择了

大量的可能性是高熵合金的优势，但它们也是研究人员面临的最大挑战。奇迹相信元素周期表上有80多种金属元素，“有太多的合金需要逐一测试，而且没有足够的时间来测试它们。”

当研究用于飞机发动机和飞机的高熵合金时，他正在寻找更轻、更耐腐蚀的材料，这种材料能在高温下保持强度。经过大量测试，奇迹缩小了范围，以铌，钽，铬和其他金属，因为他们的高熔点。

里奇还指出，铬锰铁钴镍合金和其他高熵合金的力学性能尚未得到优化，它们可能具有更好的性能。“由于高熵合金处于单相状态，我们推测它们可能非常适合在低温下使用，例如储存液化天然气、氢气和氧气。”他说。

此外，科学家们正试图重复这种合金的特性，这已经是众所周知的了。例如，一些钢铁产品不仅是随机混合的原子，而且在快速冷却时还会形成小的复合结核。虽然这种化合物的稳定性不如随机混合物，但它显示出比钢更高的弹性。美国麻省理工学院的冶金学家西美他桑将铁、镁、钴和铬混合成高熵合金，获得极高的硬度和弹性，而它们的性能似乎完全相反。塔桑认为，“放弃我们所知道的任何知识都是不明智的”。

艾姆斯实验室的迷你摩天大楼意味着另一种更系统的方法。该设备可在一小时内制造30根合金柱，每根柱的原材料略有不同，因此研究人员可以快速测试合金的性能。实验室材料科学家马修·克莱默(Matthew Kramer)正在领导一项研究，寻找能够耐高温和耐腐蚀的高熵合金，帮助热电厂在高温下更高效地运行。

杜安·约翰逊，实验室的理论家，负责协助团队。1995年，约翰逊发明了一套算法，在传统合金生产之前预测它们的性能。2015年，他扩展了高熵合金的算法。约翰逊的算法可以评估一种元素被另一种元素吸引或排斥的程度，然后利用这一信息来预测元素的混合物是否形成化合物、固溶体或两者。这使得克莱默的团队能够确定哪种合金值得一试。然后，可以将实验数据反馈给约翰逊，以修正算法并提高精度。

目前，在高熵合金领域的发展道路上还存在许多障碍。目前，人们致力于改善合金的结构性能，但对特殊的功能合金如导电性或磁性却很少关注。

然而，仍然有许多可能性需要探索，特别是当科学家开始扩展高熵合金的最初定义时。许多科学家，包括塔桑和叶军伟，已经开始试验混合大量元素但比例不相等的效果。初步结果表明，大多数合金仍然保持高熵合金的性能。

“我们现在有更多的领域可以探索。”乔治说。(张张)

《中国科学日报》(2016-06-23，第三版国际版)