香港城大杨勇教授团队Nature: 超弹抗极温高熵艾林瓦合金

【引言】

艾林瓦(elinvar)效应是指材料的弹性模量在温度变化时保持稳定。开发具有高强度，高弹性极限的埃林瓦合金具有重要的工业应用价值，可以应用于驱动器，医疗器械或其他精密器件等。对于一般块状晶体合金而言，由于位错容易滑移，弹性极限通常小于1%。虽然形状记忆合金的弹性极限可达数个百分比，然而这来源于伪弹性并伴随大量能量耗散。近年来，“高熵”合金等复杂成分合金因其优良的性能成为了研究热点。基于以上研究背景，本工作报导了一种高熵合金，因其具有一般合金中很难看到的高原子尺寸错配度，从而表现出室温下超高弹性极限（~2%）与超低内耗（< 2×10^-4）。更有趣的是，这种高熵合金表现出不寻常的艾林瓦效应。其弹性模量在室温到约1000K仍保持不变，甚至微微升高，而没有发生任何相变。这种行为是迄今为止报道的合金所无法比拟的，也许可以应用于未来人类的太空探测中。

【成果简介】

近日，香港城市大学杨勇教授课题组与内地，台湾，法国以及美国的课题组合作，通过熔炼-铜模铸造和定向凝固等方法设计并制备了成分为Co₂₅Ni₂₅(HfTiZr)₅₀（原子比）的复杂成分合金。尽管这种合金的平均原子尺寸差达到了11%，应当形成多相或非晶结构，然而结构表征实验结果（图1）显示这种合金为单相B2结构。根据DFT模拟结果（图2）与STEM结果（图1c），这是由于原子尺度的化学有序性吸收了原子尺寸差异的影响。由于晶格畸变阻碍了位错移动，使得该合金在不发生相变的前提下表现出高强度，超高弹性极限（~2%），与超低能量耗散（图3）。相比于其他合金材料，该合金表现出独特的艾林瓦效应：随着温度升高，该合金的杨氏模量不但没有下降，反而有微幅提高（图4a）。根据分子动力学模拟结果（图4b），Co₂₅Ni₂₅(HfTiZr)₅₀的艾林瓦效应来自于一种新的非相变机制：即热膨胀和结构无序性下降效应的相互抵消。该成果以题为“A highly distorted ultraelastic chemically complex Elinvar alloy”发表在Nature上。文章共同第一作者为香港城大赫全峰博士，王建国博士（原香港城大访问学者，现为东莞理工教授），以及台湾中研院陈信安博士。共同通讯作者为台湾中研院包纯伟教授，香港大学Srolovitz 教授以及香港城大杨勇教授。

【图文导读】

图1. 单晶Co₂₅Ni₂₅(HfTiZr)₅₀合金的结构表征

a. 单相Co₂₅Ni₂₅(HfTiZr)₅₀合金的XRD曲线和EBSD图像（插图）；b. APT重建3D元素分布图；c. 组成元素的频率分布图；d-f. 不同轴向（[111]，[011]，和[001]）的STEM-HADDF图像；g. STEM-EDS在[011]的元素面扫图。

图2. Co₂₅Ni₂₅(HfTiZr)₅₀三种不同结构模型的DFT计算结果

a. 三种结构模型的典型原子构型；b. 0K时的模型势能分布；c. 模型3的体积应变和von Mises 应变分布；d.畸变原子团组簇。

图3. Co₂₅Ni₂₅(HfTiZr)₅₀的机械性能表征

a. 室温下单晶[111]向与多晶（插图）Co₂₅Ni₂₅(HfTiZr)₅₀合金的单轴微柱压缩应力-应变曲线；b. Co₂₅Ni₂₅(HfTiZr)₅₀与其他合金材料的强度尺寸比较图；c. 单晶样品施加机械载荷时（110）和（001）晶面的面间距变化图；d. 在[110]方向施加压应力的应力-应变曲线；f. （110）面和（001）面的2D特征XRD图案。

图4. Co₂₅Ni₂₅(HfTiZr)₅₀合金的艾林瓦效应

a. Co₂₅Ni₂₅(HfTiZr)₅₀合金的杨氏模量随温度变化图及与其他金属材料的比较；b. 不同温度下von Mises应变和体积应变分布图；c. 0K-1000K内模拟计算的弹性模量；d. 低温与高温下畸变晶格示意图。

【总结】

综上所述，本文通过实验和模拟等手段表征了 Co₂₅Ni₂₅(HfTiZr)₅₀合金高度的晶格畸变和复杂的原子尺度化学有序性。 由于晶格畸变效应，该合金的位错运动受到高能量势垒的阻碍进而表现出极高的弹性极限、非常低的能量耗散和独特的艾林瓦效应。由于超弹性和极端温度条件下的模量稳定性，该合金可以应用于极端服役温度下需要恒定弹性模量的高精度设备中，如太空探测的精密机械计时器等。

文献链接：https://doi.org/10.1038/s41586-021-04309-1。

本文由香港城市大学供稿。