新型金属合金的强度是结构钢的10倍

据美国普渡大学(Purdue University)2026年7月20日提供的消息(https://scitechdaily.com/new-metal-alloy-is-up-to-10-times-stronger-than-structural-steel/)，新型金属合金的强度是结构钢的10倍。有图像显示了钴铝的反极图(inverse pole figures)和变形后的非晶界面框架，显示了钴-铝金属间材料的晶体取向。

钴铝纳米层压板(cobalt aluminum nanolaminate)打破了强度和柔韧性之间的通常权衡，其强度是结构钢的10倍，而不会变得危险地脆弱。

喷气发动机要求材料能够承受巨大的热量和力，而不会弯曲、开裂或慢慢失去形状。然而，最强的候选者往往有一个主要弱点：它们太脆弱，无法安全变形。

普渡大学的工程师们现在已经找到了一种克服钴铝（CoAl）权衡的方法，CoAl是一种金属间化合物，在高性能涡轮机中具有潜在用途。通过在纳米尺度下重新设计材料，研究人员创造了一种CoAl，这种CoAl非常坚固，但在室温下仍能发生实质性变形。相关研究结果已经在《科学进展》(Science Advances)杂志发表—— “Plasticity in brittle intermetallics enabled by framework of amorphous interfaces and preexisting dislocations” by Ke Xu, Anand Mathew, Zhongxia Shang, Debargha Paul, Xuanyu Sheng, Haiyan Wang, Yashashree Kulkarni and Xinghang Zhang, 17 June 2026, Science Advances.DOI: 10.1126/sciadv.aeb0766. https://doi.org/10.1126/sciadv.aeb0766

据此文报道，这一进展可能指向一个更广泛的战略，使臭名昭著的脆性金属间化合物在航空航天、能源和国防技术中更实用。

金属间化合物断裂的原因

金属间化合物包含以高度有序的晶体结构排列的两种或多种金属元素。这种原子顺序可以赋予它们非凡的强度、高熔化温度和抗蠕变性，蠕变是材料长时间处于应力下时发生的缓慢变形。

这些品质在喷气发动机、燃气轮机、储能系统和汽车零部件中很有价值。然而，使金属间化合物坚固的有序结构也可以防止它们容易变形。许多材料不是在外力作用下弯曲，而是断裂，特别是在室温下。

普渡大学博士后研究员徐科(Ke Xu音译)，在普渡电子显微镜中心的扫描电子显微镜上进行了原位纳米机械测试。在这些测试中，普渡大学的研究人员观察了他们如何在称为钴铝金属间化合物的典型脆性材料中实现高强度和塑性(详见原文图片所示)。

CoAl说明了这个问题。该化合物足够坚固，可以考虑用于要求苛刻的涡轮机部件，但其脆性使其难以制造成复杂的形状，并限制了其承受突然机械应力的能力。

普渡大学材料工程学院(Purdue’s School of Materials Engineering)教授、上述论文的通讯作者张兴航(Xinghang Zhang音译)说：“块状钴铝金属间化合物是一种高强度化合物。除其他应用外，它们还可能用于航空发动机涡轮叶片的下一代材料，航空发动机是为飞机推进产生推力的燃气轮机发动机。高强度、可塑性变形的钴铝合金可以使发动机或涡轮转速更快，同时保持更高的离心力，从而提高其性能。”

工程上有用的晶体缺陷

研究人员通过故意在材料中引入缺陷来解决这个问题。在晶体中，原子通常遵循重复的几何图案。错位是这种模式中的微观破坏。尽管缺陷通常与弱点有关，但位错可以通过允许原子层移动而不是断裂来改变金属的形状。

CoAl通常缺乏足够的可移动位错，在室温下基本变形。之前通过改变其成分或将其与其他材料结合来提高其可塑性的努力只取得了有限的成功。

普渡大学研究人员对钴铝金属间化合物纳米复合材料进行的微孔压缩测试表明，该团队使这些纳米复合材料达到了超过6 GPa的高产量强度，持续加工硬化至约8.5 GPa，压缩塑性应变超过15%。详见原文图片所示。

柔性接口解锁塑性

普渡大学的团队在CoAl形成时直接在CoAl中制造位错。他们还创建了一个无定形界面网络，即原子缺乏晶体中有序排列的薄边界。

普渡大学博士后研究员、该研究的第一作者徐科说：“在这项研究中，我们表明CoAl在室温下可以表现出显著的塑性，为提高CoAl的塑性变形能力提供了一种新的替代方法。”

这些灵活的内部边界不仅仅是被动的分隔物。在变形过程中，部分界面结晶并有助于产生额外的位错，为周围的CoAl层提供了更多吸收力的方法。

张兴航说：“我们在溅射沉积过程中直接在CoAl中引入了位错。更重要的是，我们设计了非晶界面的框架(framework of amorphous interfaces简称FAI) ——材料中的柔性边界，以实现结构灵活性，在变形过程中部分结晶，促进CoAl金属间化合物中位错的成核。”

比结构钢更坚固

所得纳米层压板的屈服强度达到6 GPa（千兆帕斯卡，一种应力测量），大约是高强度结构钢的6到10倍。屈服强度是指材料在开始永久变形之前能够承受的应力大小。

尽管强度极高，但该材料在室温压缩下仍承受了15%的塑性应变。换句话说，它可能会发生显著的永久变形，而不会立即断裂。

徐科说：“这种超高机械强度和出色塑性的结合使目前的CoAl纳米层压板系统成为迄今为止报道的最好的金属间化合物系统之一。”

用蒸汽制造合金

该团队使用磁控溅射沉积技术生产了这种材料。在这个过程中，原子从源材料中释放出来，并在另一个表面上沉积成薄膜。与使熔融金属凝固的传统铸造不同，溅射允许材料直接从合金蒸气形成。

这种非传统的路线有助于在CoAl内部捕获大量位错，同时形成非晶铝钴界面。

张兴航说：“这种非平衡制造方法使我们能够制造从合金蒸气到固体的材料，在CoAl中引入大量位错。我们能够在CoAl中实现显著的强度和塑性，这是传统铸造无法实现的。”

在原子尺度上观察形变

研究人员在扫描电子显微镜内观察材料时压缩了材料。这种原位测试使他们能够追踪CoAl变形时微观结构的变化。

休斯顿大学(University of Houston)教授Yashashree Kulkarni和博士生Anand Mathew也进行了分子动力学模拟，以在原子水平上检查这一过程。他们的模型显示，部分非晶界面在压力下结晶，并将位错释放到相邻的CoAl层中。

实验和模拟表明，界面是塑性变形的主动源。它们不会削弱材料，而是帮助它在不牺牲其卓越强度的情况下应对压力。

从纳米层到涡轮机部件

目前的材料是通过薄膜沉积生产的纳米级分层系统，还不是散装涡轮机部件。研究人员的下一个挑战是将相同的结构概念转移到可以在工业规模上制造的更大的CoAl纳米复合材料中。

徐科说：“我们还将使用其他金属间化合物测试这一概念，目的是确定FAI在提高这类金属塑性方面的普遍适用性。”

如果这种方法适用于其他化合物，它可以为工程师提供一种新的方法，为传统金属难以适应的环境设计材料。研究人员可以通过控制缺陷形成的位置以及内部边界对力的反应来进行工程设计，而不是在强度和变形性之间进行选择。

张兴航说：“韧性金属间化合物将大大提高我们为航空航天和外层空间、能源和国防应用设计先进材料的能力。”

这项研究的资金主要由美国国家科学基金会的金属和金属纳米结构项目(National Science Foundation’s Metals and Metallic Nanostructures program)提供。

上述介绍仅供参考。欲了解更多信息敬请注意浏览原文或相关报道。

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