混合金属造就更坚固、更耐用、更具延展性的合金

乍一看，这台机器似乎在建造一个微型城市景观。一圈喷嘴将四束金属粉末喷射到向下指向的激光束中，激光束将碰撞的颗粒融合在一起，发出明亮的橙色光芒。混合的颗粒随后在金属合金小柱的生长尖端凝固。一旦柱子达到 1-2 厘米高，支撑它的平台就会移动到一侧，机器开始在旁边建造另一个柱子。结果看起来像一片玩具摩天大楼的森林。

实际上，这些在爱荷华州艾姆斯实验室产生的塔楼反映了研究人员对合金的看法发生了重大转变。从古代的剑和箭头到现代的喷气发动机涡轮机，标准配方一直都是取一种有用的金属，加入少许这种或少许那种来改善其性能。一个经典的例子是在铁中加入碳来制造钢。

但是艾姆斯实验室的机器正在制造“高熵”合金的实验样品，这些合金由四种、五种或更多种元素以大致相等的比例混合而成。这种看似简单的配方可以产生比传统合金更轻、更强的合金，同时对腐蚀、辐射或严重磨损具有更强的抵抗力。研究人员最终希望，这种方法甚至可以产生以前从未见过的磁性或电学性能的合金，从而导致全新的技术发展。

支持科学新闻报道

如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道 订阅。通过购买订阅，您将有助于确保关于塑造我们当今世界的发现和想法的具有影响力的故事的未来。

北京科技大学先进金属材料国家重点实验室的材料科学家张勇说：“我们几乎探索了传统合金的所有方面。”他说：“对于高熵合金，这门科学非常新，”——如此之新以至于还没有任何此类合金从实验室走向市场。但一些研究人员正在努力实现这一目标，他们着眼于从高温炉衬到超轻航空航天材料等潜在应用。该领域吸引了中国、欧洲、美国和其他地区研究机构的资金。

“我们谈论的不是一类狭窄的材料，而是一种极其广泛的关于如何组合元素的理念，”俄亥俄州赖特-帕特森空军基地的空军研究实验室的材料科学家丹尼尔·米拉克尔说。“发现新颖而令人兴奋的事物的机会非常高。”去年，他和他的同事估计，通过从一组仅 26 种金属元素中组合 3、4、5 或 6 种完全相同比例的金属元素，可以制成几乎 313,560 种不同的合金。改变比例或扩大元素的选择范围可以带来更多可能性。

但是，并非每种组合都是赢家，德国波鸿鲁尔大学的材料工程师伊索·乔治说。科学家们仍在学习什么有效，什么无效。不过，他说，“可供探索的空间确实很大，我们只看到了宇宙的一小部分”。

高熵合金的想法最早在 1995 年由冶金学家叶均蔚提出，当时他正在台湾的乡村开车。在台湾新竹清华大学工作的叶均蔚说，传统合金的物理学已经得到了很好的理解。在原子水平上，纯金属具有规则的晶体结构，该结构一层层堆积着相同的原子。通常，这些层很容易彼此滑过，这使得金属太软而无法使用。这就是为什么纯金很少用于珠宝的原因：它无法承受太多的磨损。但是，如果金属匠混合一种原子尺寸不同的元素，则该闯入者会随机破坏各层并减少其滑动的趋势，从而产生硬度高得多的合金。选择正确的化合物还可以使冶金学家定制其他性能，例如耐腐蚀性或熔点。

但是，叶均蔚也很清楚潜在的复杂性。例如，如果添加过多的合金元素，则其原子可能会停止在各层之间随机落下，而是可能开始以更规则的模式与主要金属原子交替，从而产生一种脆弱且易碎的化合物。

这给了他一个想法，叶均蔚说：与其从一种主要材料开始并混合少量的一种或两种元素，为什么不混合四种或五种（甚至更多）种相似数量的元素呢？不同的原子排列方式的数量将急剧增加，从而导致一种混乱的趋势，或“高熵”，这将压倒任何偏向规则晶格结构的偏见。由于每种随机混合的元素的尺寸都不同，因此原子将被固定到位，并且不太容易彼此滑动，从而形成非常坚硬的材料（请参阅“坚硬而强壮”）。

这个想法在当时很奇怪，叶均蔚甚至在他自己的实验室里也给它赋予了较低的优先级；直到 2004 年，他的研究小组才首次报告成功地将五到十种元素混合在一起，从而生产出比不锈钢硬度高得多的合金。另一个小组大约在同一时间独立宣布了类似的结果。

选择太多

此后，该领域开始快速发展。 2009 年，张勇描述了一种由钴、铬、铜、铁、镍和铝组成的合金，其强度是纯铝的 14 倍以上，但延展性（衡量金属在不断裂的情况下拉伸的能力）接近 3 倍。 2011 年，叶均蔚设计了一种钴、铬、铁、镍、铝和钛合金，其耐摩擦损伤的能力是传统耐磨钢的两倍。 2014 年，乔治和他的团队调制了一种钴、铬、铁、锰和镍合金，该合金可以在液氮温度以下冷却而不会变得脆。该材料可用于低温容器、天然气管道和其他低温应用，例如航天器。

然而，通常，高熵合金最好的地方（大量的可能性）也可能是研究人员最大的挑战。米拉克尔说，周期表中有 80 多种金属元素，“有太多的合金要测试，而时间又不够”。为了他自己对用于飞机发动机和飞机框架的高熵合金的研究，他正在寻找比目前任何可用的材料更轻、更耐腐蚀并且能够更好地在高温度下保持其强度的材料。为了应对大量的选择，米拉克尔专注于诸如铌、钽和铬之类的元素，这些元素本身就具有很高的熔点。

另一种策略是尝试复制已知能很好地工作的合金的特性。例如，一些钢不仅是原子的随机混合物，而且还包含在钢快速冷却时形成的小化合物结节。尽管这种复合结构不如随机混合物稳定，但它赋予了钢很高的延展性。马萨诸塞州剑桥市麻省理工学院的冶金学家塞姆·塔桑利用这一知识将铁、锰、钴和铬混合成一种高熵合金，该合金同时具有极高的硬度和高度的延展性——这些特性曾经看起来是完全不相容的。“放弃我们所知道的一切是没有意义的，”他说。

艾姆斯的迷你摩天大楼代表了另一种更系统的方法。该机器可以在不到一小时的时间内建造多达 30 根柱子，每根柱子中原始材料的混合物略有不同，以便研究人员可以快速测试许多合金的性能。艾姆斯的材料科学家马修·克莱默领导着一个项目，旨在寻找能够承受高温并抵抗腐蚀的高熵合金，这有助于发电厂在更高的温度下运行并变得更有效率。

艾姆斯的理论家杜安·约翰逊在 1995 年开发了一种算法来预测传统合金在制造之前的性能，从而为他的团队提供了帮助。 2015 年，他扩展了代码，使其适用于高熵合金。约翰逊的算法评估一种元素对另一种元素的吸引或排斥程度，然后使用该信息来预测元素混合物是否会形成化合物、固溶体还是两者的混合物。这使得克莱默的团队能够识别哪些合金可能值得研究。然后将实验结果反馈到算法中以验证和改进代码。

要推动高熵合金领域向前发展，还需要克服许多障碍。到目前为止，重点一直放在改善结构性能上，例如强度。但是在开发具有特定“功能”属性（包括电导率或对磁场的响应）的合金方面的工作要少得多——这将使在诸如制冷和电子等领域的应用成为可能。

尽管如此，仍有许多可能性有待探索，特别是当研究人员开始将该概念扩展到其原始定义之外时。例如，张勇正在将金属与碳、氮和硅等元素混合在一起，以开发用于太阳能应用的新型高温陶瓷。

一些人，包括塔桑和叶均蔚，已经开始尝试以高但不相等的比例混合元素的合金。他们的初步发现表明，其中许多合金仍然具有所有使高熵合金首先具有吸引力的特性。例如，叶均蔚已经制备了一系列由 50% 氮、碳或氧以及其他元素（例如铝、硅或钛）混合而成的硬质材料，这些材料可以承受刮擦。它们可以用作机器零件和切削工具的持久涂层。“我们现在拥有一个丰富而广阔的探索领域，”乔治说。

本文经许可转载，于 2016 年 5 月 18 日首次发布。