傳統(tǒng)冶金生產(chǎn)包括三個步驟：從礦石中提取金屬，通過液態(tài)加工和熱機械加工混合成合金，以達到所需的微觀結(jié)構(gòu)。這種順序方法自青銅時代以來一直沿用至今，但今天它達到了極限，因為迫切需要可持續(xù)經(jīng)濟：幾乎所有溫室氣體排放的10%都是由于使用化石還原劑和高溫冶金加工造成的。因此，開辟合金制造的可持續(xù)發(fā)展新方向迫在眉睫。

最近，來自德國馬普所Dierk Raabe教授等人提出了一種基于H2的氧化還原合成和壓實方法，通過將金屬提取、合金化和熱機械加工合并為單一的固態(tài)操作，改革了傳統(tǒng)的合金制造。本文提出了一個熱力學(xué)信息指導(dǎo)方針和一般動力學(xué)概念，以溶解經(jīng)典提取冶金和物理冶金之間的界限，解鎖巨大的可持續(xù)大塊合金設(shè)計機會。以Fe-Ni不變量大塊合金為例，這是最有吸引力的鐵基材料之一，但生產(chǎn)過程中對環(huán)境極其不友好：不變量合金顯示出獨特的低熱膨脹性，使其在精密儀器到低溫元件的關(guān)鍵應(yīng)用中發(fā)揮著重要作用。然而，由于每公斤生產(chǎn)造成的二氧化碳排放量是鐵的10倍以上，這種合金類別被認為是完美的示范案例。本工作的可持續(xù)方法將氧化物直接轉(zhuǎn)化為大塊綠色合金，具有應(yīng)用價值的屬性，所有這些屬性都是在遠低于熔點的溫度下獲得的，同時保持零二氧化碳排放。相關(guān)成果以“One step from oxides to sustainable bulk alloys”為題發(fā)表在國際頂級期刊Nature上。

圖1、一步可持續(xù)合成具有定義微觀結(jié)構(gòu)的氧化物大塊合金。a. 傳統(tǒng)多步合金制造過程與提出的可持續(xù)“一步氧化物到大塊合金”操作的示意圖比較；b. 熱力學(xué)信息指導(dǎo)的設(shè)計圖，為簡化起見，這里考慮了在700°C、1個大氣壓下具有最高價態(tài)的氧化物的可還原性；c. 動力學(xué)概念概述了從氧化物中實現(xiàn)具有定義微觀結(jié)構(gòu)的大塊合金的兩個主要競爭因素，部分與當(dāng)前示范的Fe-Ni合金類別相關(guān)© 2024 Nature

圖2、從氧化物制造的不變量合金的合成動力學(xué)、微觀結(jié)構(gòu)和熱膨脹特性。a. 常見物種的最低熔化能量成本作為熔點的函數(shù)；b. 在1大氣壓下，預(yù)測的鐵（Fe2O3、Fe3O4 和 FeO）和鎳（NiO）氧化物的Ellingham-Richardson圖；c. Fe2O3 + NiO 粉末混合物的二次電子顯微照片以及相應(yīng)的能譜圖（EDS圖）；d. 壓實氧化物顆粒（左側(cè)）和合成的不變量合金（右側(cè)）的二維SXRD衍射圖；e. 不同轉(zhuǎn)化率下宏觀形態(tài)的演變；f. 顯示還原動力學(xué)的TGA曲線。插圖：瞬時質(zhì)量損失隨時間變化的函數(shù)；g. 合成合金的反極圖（IPF圖）（不包括Σ3再結(jié)晶孿晶界）；h. 對應(yīng)的相圖；i. Fe和Ni的能譜圖（EDS圖）；j. 體積熱膨脹（頂部，使用膨脹儀測量）和晶格熱膨脹（底部，使用原位SXRD測量）結(jié)果；k. 微觀結(jié)構(gòu)可調(diào)性的示例© 2024 Nature

圖3、原位同步輻射X射線衍射（SXRD）對合成機制的評估。a. 實驗裝置和樣品狀態(tài)的示意圖；b. 繪制的二維（2D）相演化圖，作為時間的函數(shù)，顯示了氧化物還原路徑；c. 多步還原機制的示意圖；d. 通過Rietveld精煉確定的相對相分數(shù)演化；e. 本實驗觀察到的金屬fcc相的晶格常數(shù)變化© 2024 Nature

圖4、不同轉(zhuǎn)化率下的微觀結(jié)構(gòu)分析和動力學(xué)機制探索。a. 在不同合成階段燒結(jié)頸發(fā)展的觀察（對應(yīng)于圖2f）；b. 關(guān)鍵質(zhì)量傳輸過程的示意圖；c. 在全局轉(zhuǎn)化率約為0.5時，對頸部Fe和Ni分布進行的EDS分析；d. 在完全還原時，頸部Fe和Ni分布的EDS線掃描剖面圖；e. 使用慢速和快速加熱速率合成的兩個樣品的代表性二次電子顯微照片；f. 兩個主要競爭通量溫度依賴性的示意圖；g. 使用不同加熱速率獲得的樣品中觀察到的孔隙率與殘留氧化物含量之間的權(quán)衡© 2024 Nature

本文報告了一個受氧化還原啟發(fā)的可持續(xù)合金設(shè)計理念，實現(xiàn)了直接從氧化物一步合成大塊合金。遵循熱力學(xué)指導(dǎo)方針和綜合動力學(xué)概念，這種方法應(yīng)用于制造具有微觀結(jié)構(gòu)-宏觀屬性組合的Fe-Ni不變量合金，這些組合已準備好用于現(xiàn)實世界的應(yīng)用。合成后的合金不僅表現(xiàn)出接近零的熱膨脹特性，與通過傳統(tǒng)的多步驟金屬提取、液態(tài)合金化和熱機械加工路線制造的不變量合金相一致，而且還具有廣泛的微觀結(jié)構(gòu)可調(diào)性。本文提出方法的具有普遍性，超出了Fe-Ni二元不變量合金合成的具體范圍：相同的概念可以擴展到（1）各種稀薄的氧化物鍵合的過渡金屬，以及（2）甚至高度污染的不同來源的氧化原料。這種方法還消除了提取冶金和物理冶金之間的一些傳統(tǒng)界限，激勵了從氧化物到值得應(yīng)用的產(chǎn)品的直接轉(zhuǎn)換，在單一固態(tài)操作中實現(xiàn)。

論文詳情：

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

本文由虛谷納物供稿。