马普所Dierk Raabe教授最新Nature：开辟合金可持续发展新方向

一、【科学背景】

传统冶金生产包括三个步骤：从矿石中提取金属，通过液态加工和热机械加工混合成合金，以达到所需的微观结构。这种顺序方法自青铜时代以来一直沿用至今，但今天它达到了极限，因为迫切需要可持续经济：几乎所有温室气体排放的10%都是由于使用化石还原剂和高温冶金加工造成的。因此，开辟合金制造的可持续发展新方向迫在眉睫。

二、【科学创新】

最近，来自德国马普所Dierk Raabe教授等人提出了一种基于H2的氧化还原合成和压实方法，通过将金属提取、合金化和热机械加工合并为单一的固态操作，改革了传统的合金制造。本文提出了一个热力学信息指导方针和一般动力学概念，以溶解经典提取冶金和物理冶金之间的界限，解锁巨大的可持续大块合金设计机会。以Fe-Ni不变量大块合金为例，这是最有吸引力的铁基材料之一，但生产过程中对环境极其不友好：不变量合金显示出独特的低热膨胀性，使其在精密仪器到低温元件的关键应用中发挥着重要作用。然而，由于每公斤生产造成的二氧化碳排放量是铁的10倍以上，这种合金类别被认为是完美的示范案例。本工作的可持续方法将氧化物直接转化为大块绿色合金，具有应用价值的属性，所有这些属性都是在远低于熔点的温度下获得的，同时保持零二氧化碳排放。相关成果以“One step from oxides to sustainable bulk alloys”为题发表在国际顶级期刊Nature上。

图1 一步可持续合成具有定义微观结构的氧化物大块合金；a. 传统多步合金制造过程与提出的可持续“一步氧化物到大块合金”操作的示意图比较； b. 热力学信息指导的设计图，为简化起见，这里考虑了在700°C、1个大气压下具有最高价态的氧化物的可还原性； c. 动力学概念概述了从氧化物中实现具有定义微观结构的大块合金的两个主要竞争因素，部分与当前示范的Fe-Ni合金类别相关© 2024 Nature

图2 从氧化物制造的不变量合金的合成动力学、微观结构和热膨胀特性；a. 常见物种的最低熔化能量成本作为熔点的函数； b. 在1大气压下，预测的铁（Fe2O3、Fe3O4 和 FeO）和镍（NiO）氧化物的Ellingham-Richardson图； c. Fe2O3 + NiO 粉末混合物的二次电子显微照片以及相应的能谱图（EDS图）； d. 压实氧化物颗粒（左侧）和合成的不变量合金（右侧）的二维SXRD衍射图； e. 不同转化率下宏观形态的演变； f. 显示还原动力学的TGA曲线。插图：瞬时质量损失随时间变化的函数； g. 合成合金的反极图（IPF图）（不包括Σ3再结晶孪晶界）； h. 对应的相图； i. Fe和Ni的能谱图（EDS图）； j. 体积热膨胀（顶部，使用膨胀仪测量）和晶格热膨胀（底部，使用原位SXRD测量）结果； k. 微观结构可调性的示例© 2024 Nature

图3 原位同步辐射X射线衍射（SXRD）对合成机制的评估；a. 实验装置和样品状态的示意图； b. 绘制的二维（2D）相演化图，作为时间的函数，显示了氧化物还原路径； c. 多步还原机制的示意图； d. 通过Rietveld精炼确定的相对相分数演化； e. 本实验观察到的金属fcc相的晶格常数变化© 2024 Nature

图4 不同转化率下的微观结构分析和动力学机制探索；a. 在不同合成阶段烧结颈发展的观察（对应于图2f）； b. 关键质量传输过程的示意图； c. 在全局转化率约为0.5时，对颈部Fe和Ni分布进行的EDS分析； d. 在完全还原时，颈部Fe和Ni分布的EDS线扫描剖面图； e. 使用慢速和快速加热速率合成的两个样品的代表性二次电子显微照片； f. 两个主要竞争通量温度依赖性的示意图；g. 使用不同加热速率获得的样品中观察到的孔隙率与残留氧化物含量之间的权衡© 2024 Nature

三、【科学启示】

本文报告了一个受氧化还原启发的可持续合金设计理念，实现了直接从氧化物一步合成大块合金。遵循热力学指导方针和综合动力学概念，这种方法应用于制造具有微观结构-宏观属性组合的Fe-Ni不变量合金，这些组合已准备好用于现实世界的应用。合成后的合金不仅表现出接近零的热膨胀特性，与通过传统的多步骤金属提取、液态合金化和热机械加工路线制造的不变量合金相一致，而且还具有广泛的微观结构可调性。本文提出方法的具有普遍性，超出了Fe-Ni二元不变量合金合成的具体范围：相同的概念可以扩展到（1）各种稀薄的氧化物键合的过渡金属，以及（2）甚至高度污染的不同来源的氧化原料。这种方法还消除了提取冶金和物理冶金之间的一些传统界限，激励了从氧化物到值得应用的产品的直接转换，在单一固态操作中实现。

论文详情：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07932-w

本文由虚谷纳物供稿