用材料基因工程方法发现高温非晶合金

作者: 李明星,柳延辉

来源: Nature

发布日期: 2019-05-10

中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心的研究团队采用材料基因工程理念,开发了高通量实验方法,成功筛选出高温高强非晶合金材料新体系,突破了非晶合金材料探索的瓶颈,为高性能非晶合金的研发提供了新途径。

在合金材料中,非晶合金(又称金属玻璃)是一类新型的多组元合金。它们有独特的无序原子结构、优异的力学和物理化学特性,吸引了材料科学和凝聚态物理等多个领域的关注。非晶合金既可以具有高达6.0GPa、比普通钢材高出15倍的强度(如Co基非晶合金),又可以像塑料一样进行超塑性加工。非晶合金的多组元特点提供了海量的元素配比,使得性能调控可以在极宽的成分范围实现,为非晶合金提供了广阔的应用场景。

对非晶合金而言,最重要、最基本的参量是非晶形成能力,因为它直接决定了某种合金成分能形成多大尺寸的完全非晶态材料并表现出非晶合金特有的性能。探索非晶形成能力强的合金体系一直是非晶合金领域的核心科学问题、关系到非晶合金工程应用的关键技术难题。材料基因工程是近年来以加速材料研究和材料探索为主要目标的新理念,其中的高通量实验是在海量样品中直接优选新材料、获取实验大数据的基本手段。

近日,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心柳延辉、汪卫华研究组和美国耶鲁大学、约翰霍普金斯大学、日本东北大学组成合作团队,采用材料基因工程理念开发了独特的高通量实验方法,在高性能非晶合金的成分设计和探索中取得突破,实现了非晶合金的快速筛选,研制出高温高强非晶合金材料新体系。

该团队充分利用已知的经验准则和物理量关联关系,设计了一个全新的、有可能具有强的非晶形成能力的Ir-Ni-Ta-(B)材料体系。

非晶合金是亚稳态金属材料,在一定的温度下会发生老化或转变为晶态合金,丧失非晶态的优异性能。因此,非晶合金的服役温度需要在其玻璃转变温度之下。目前,绝大部分非晶合金的使役温度在300℃左右,这导致其应用在很多领域受限。该团队采用材料基因工程理念研发的Ir-Ni-Ta-(B)非晶合金在高温力学性能、热稳定性、加工成型性能、耐蚀性、抗氧化等方面表现出前所未有的综合优势。

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