埃姆斯實(shí)驗(yàn)室的高熵合金制作設(shè)備

    乍一看，這個(gè)設(shè)備像是在建造的一個(gè)微型景觀。一圈噴嘴對(duì)從四個(gè)噴管噴出的金屬粉末加熱，形成向下的光束，融合碰撞的微粒。然后，混合物凝聚成晶粒，形成一個(gè)逐步生長(zhǎng)的小型柱狀合金。一旦合金柱達(dá)到2厘米高時(shí)，平臺(tái)將其移動(dòng)到一邊，設(shè)備接著建造另一個(gè)。

    驚鴻一瞥

    實(shí)際上，這些金屬柱子“誕生”自美國(guó)愛(ài)荷華州埃姆斯實(shí)驗(yàn)室，反映了科學(xué)家對(duì)合金看法的重大改變。制造合金的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)從遠(yuǎn)古鑄劍到現(xiàn)在制造發(fā)動(dòng)機(jī)引擎葉片一直在沿用，也就是將有用的金屬混合一系列能提升性能的東西，例如在鐵中加碳制成鋼。

    但該設(shè)備正在制造高熵合金實(shí)驗(yàn)樣品，它由四五個(gè)，甚至更多的元素以嚴(yán)格的比例混合而成。這種看似簡(jiǎn)單的配方可以生產(chǎn)出比傳統(tǒng)材料更輕、更強(qiáng)的合金，并且更耐腐蝕、耐輻照等。最終，研究人員希望這個(gè)方法能夠生產(chǎn)從未有過(guò)的磁性或電性能合金，并形成新一代技術(shù)。

    中國(guó)北京科技大學(xué)新金屬國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室張勇認(rèn)為“我們幾乎已經(jīng)探索過(guò)傳統(tǒng)金屬的所有方面，而對(duì)于高熵合金這方面的研究是全新的”。雖然，高熵合金尚未從實(shí)驗(yàn)室推廣到市場(chǎng)，不過(guò)研究者期望在高溫爐襯和超輕型航天材料等方面獲得潛在應(yīng)用。

    美國(guó)帕特森空軍基地實(shí)驗(yàn)室材料科學(xué)家Daniel Miracle認(rèn)為，“我們并不僅僅是在談?wù)撘环N材料，而是如何混合元素的哲學(xué)”。“找到新而激動(dòng)的東西的機(jī)會(huì)是很高的。”去年，他和同事估計(jì)過(guò)從一組26個(gè)元素中，抽取3、4、5、6種金屬元素混合，可得到大約313560種不同的合金。

    但德國(guó)波鴻魯爾大學(xué)材料工程師Easo Georg認(rèn)為，并不是所有的混合都能奏效。科學(xué)家仍在研究哪些有效哪些沒(méi)有。他認(rèn)為，“可探索的空間仍然非常巨大，而我們目前只看到一小部分宇宙”。

    更輕更強(qiáng)

    高熵合金概念由中國(guó)臺(tái)灣科學(xué)家葉均蔚于1995年提出。葉均蔚認(rèn)為，傳統(tǒng)合金的物理性能已經(jīng)得到了很好的研究，在原子層面上，純金屬具有規(guī)則的晶體結(jié)構(gòu)——由相同的原子一層層堆出。有時(shí)，這些層相互之間很容易滑動(dòng)，表現(xiàn)到金屬就是非常軟而不能用，這就是純金僅僅只能用在珠寶上的原因。但在金屬中添加不同原子尺寸的元素能降低滑動(dòng)趨勢(shì)，從而創(chuàng)造更硬的合金。精確的混合物可以讓冶金學(xué)家調(diào)控合金的腐蝕性或者熔點(diǎn)等性能。

    但葉均蔚同樣認(rèn)識(shí)到了潛在的復(fù)雜性。如果加入太多元素，混合物就會(huì)變脆。因此，他發(fā)現(xiàn)，與其一種主要材料混合一兩個(gè)元素，為什么不用四五個(gè)甚至更多的元素等比混合？不同的原子有大量的可能性排列，從而出現(xiàn)高熵，如此消除了任何形成規(guī)律性能晶體結(jié)構(gòu)的傾向。因?yàn)槊恳环N隨意的混合元素都是不同尺寸的，不太可能相互滑動(dòng)，從而創(chuàng)造出非常硬的材料。

    當(dāng)然，這在當(dāng)時(shí)是個(gè)奇怪的想法，即使在自己的實(shí)驗(yàn)室，葉均蔚也未將之放到很高的優(yōu)先級(jí)上。直到2004年其團(tuán)隊(duì)才首次混合了5~10種元素，得到比不銹鋼更硬的合金。

    高熵合金領(lǐng)域得到了快速發(fā)展。2009年，張勇報(bào)道了一種含鈷、鉻、銅、鐵、鎳、鋁的合金，比純鋁硬14倍，韌性達(dá)近3倍。2011年，葉均蔚報(bào)道了鈷、鉻、鐵、鎳、鋁、鈦合金的抗磨性能是普通抗磨鋼的兩倍。2014年，George及其團(tuán)隊(duì)研究的鈷、鉻、鐵、鎂、鎳合金在液氮溫度下也不會(huì)變脆。該材料適用于天然氣管道和航天器等低溫設(shè)備。

    另外，美國(guó)能源部勞倫斯·伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室與橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室合作開(kāi)發(fā)出一種叫作鉻錳鐵鈷鎳的高熵合金，經(jīng)檢測(cè)它不僅是現(xiàn)有記錄的最硬材料之一，而且在低溫下強(qiáng)度、延展性反而提高。

    研究人員表示，鉻錳鐵鈷鎳合金能在低溫下表現(xiàn)出非凡的強(qiáng)度、延展性和硬度，關(guān)鍵在于一種“納米結(jié)對(duì)”效應(yīng)，也就是在變形過(guò)程中，相鄰晶格區(qū)的原子排列彼此形成鏡像結(jié)構(gòu)。伯克利實(shí)驗(yàn)室材料學(xué)家羅伯特·里奇說(shuō)：“這表明它除了具有大部分金屬在環(huán)境溫度下具有的平滑錯(cuò)位機(jī)制，還有一種塑性機(jī)制。在低溫下，材料經(jīng)受了塑性變形產(chǎn)生了納米結(jié)對(duì)，結(jié)果就是連續(xù)的機(jī)械硬化，以此來(lái)遏制早期破壞造成的局部變形。”

    傳統(tǒng)合金制造方法的一個(gè)不變特征是，一種元素做主成分，其余為少量添加，其機(jī)械性能通常依靠出現(xiàn)第二種相態(tài)。“高熵合金從根本上違反了傳統(tǒng)方法，它的性質(zhì)并非來(lái)自合金中的每種成分或第二種相態(tài)。”里奇說(shuō)，“高熵這一概念意味著，隨著合金成分元素的增加，其位形熵也增加，也就抵消了它們形成化合物，變成單相態(tài)材料（如純金屬）的趨勢(shì)。”

    選擇太多

    大量的可能性是高熵合金的優(yōu)點(diǎn)，但也是研究人員的最大挑戰(zhàn)。Miracle認(rèn)為，元素周期表上有超過(guò)80種金屬元素，“合金太多而無(wú)法一一測(cè)試，也沒(méi)有足夠的時(shí)間去測(cè)試”。

    在為航空器引擎和飛機(jī)研究高熵合金時(shí)，他在搜尋更輕、更耐腐蝕，并能在高溫下保持強(qiáng)度的材料。經(jīng)過(guò)大量測(cè)試，Miracle將范圍縮小到鈮、鉭、鉻等金屬，因?yàn)樗鼈兊娜埸c(diǎn)很高。

    里奇還指出，鉻錳鐵鈷鎳合金及其他高熵合金的機(jī)械性質(zhì)尚未達(dá)到最優(yōu)化，它們可能還有更好的性質(zhì)。“由于高熵合金是單一相態(tài)，我們推測(cè)它們用在低溫下可能非常理想，比如存儲(chǔ)液化天然氣、氫氣和氧氣。”他說(shuō)。

    另外，科學(xué)家正試著重復(fù)目前已經(jīng)有很好了解的合金的性能。例如，有些鋼材不僅僅是隨機(jī)的原子混合，而且在快速冷卻時(shí)形成了小型的化合物結(jié)節(jié)。盡管這種化合物的穩(wěn)定性不如隨機(jī)混合物，但表現(xiàn)出比鋼更高的彈性。美國(guó)麻省理工學(xué)院金屬學(xué)家Cem Tasan曾將鐵、鎂、鈷、鉻混合進(jìn)高熵合金，得到了極高的硬度和彈性，而它們的性能看起來(lái)似乎是完全相反的。Tasan 認(rèn)為“放棄任何我們知道的知識(shí)都是不明智的”。

    埃姆斯實(shí)驗(yàn)室的迷你摩天樓意味著另一種更系統(tǒng)化的方法。該設(shè)備可在1個(gè)小時(shí)內(nèi)建造30個(gè)合金柱，每個(gè)柱子的原材料只有細(xì)微差別，如此研究者可以快速測(cè)試合金的性能。該實(shí)驗(yàn)室材料科學(xué)家Matthew Kramer正在主導(dǎo)一項(xiàng)研究：尋找可以抵御高溫和腐蝕的高熵合金，以幫助火電廠在高溫下更有效運(yùn)作。

    而該實(shí)驗(yàn)室理論學(xué)家Duane Johnson負(fù)責(zé)協(xié)助該團(tuán)隊(duì)。1995年，Johnson發(fā)明了一套運(yùn)算法則，在傳統(tǒng)合金制造出來(lái)前就能預(yù)測(cè)其性能。2015年，他擴(kuò)展了適用高熵合金的算法。Johnson的算法能評(píng)定一個(gè)元素到何種程度就會(huì)被另一個(gè)吸引或者排斥，然后利用這個(gè)信息預(yù)測(cè)元素的混合是形成化合物、固溶體或兩者都有。如此讓Kramer團(tuán)隊(duì)確定哪種合金值得一試。然后，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)能反饋給Johnson以修正該算法，提高準(zhǔn)確性。

    目前，高熵合金領(lǐng)域前進(jìn)的道路上有大量障礙。人們當(dāng)下的關(guān)注點(diǎn)是提高結(jié)構(gòu)性能，但對(duì)于導(dǎo)電性或磁性等特殊功能性合金則沒(méi)有多少關(guān)注。

    盡管如此，還有大量的可能性需要探索，尤其是科學(xué)家開(kāi)始擴(kuò)展最初對(duì)高熵合金的界定。包括Tasan、葉均蔚在內(nèi)的諸多科學(xué)家，已經(jīng)開(kāi)始實(shí)驗(yàn)混合大量元素但不是等比的效果。初步結(jié)果顯示，大多數(shù)合金仍然保持了高熵合金的性能。

    “我們現(xiàn)在有更豐富的領(lǐng)域要探索了。”George說(shuō)。