金属间化合物是由两种或多种金属元素组成的固体材料，这些元素排列成高度有序的晶体结构。其独特的原子排列赋予它们非凡的强度、高熔点以及极强的抗蠕变能力——蠕变是指材料在长期受热和应力作用下发生的缓慢变形。
这些特性使金属间化合物在喷气发动机、燃气轮机、储能系统和汽车零部件等苛刻技术中具有重要价值。然而，这类材料存在一个主要弱点：它们往往非常脆。
让高强度脆性材料更具延展性
在发表于《科学进展》的研究中，普渡大学的工程师展示了一种新方法，在钴铝金属间化合物中实现了极高强度与显著塑性的结合。
塑性是指材料在不破裂或断裂的情况下永久改变形状的能力。对于工业应用而言，这一点至关重要，因为无法变形的材料难以加工成复杂的部件，且可能在应力作用下突然断裂。
普渡大学材料工程学院教授张兴航是该论文的通讯作者，论文题为“由非晶界面框架和预存位错实现的脆性金属间化合物的塑性”。普渡大学的其他合作者包括材料工程及埃尔莫尔电气与计算机工程学院的Basil S. Turner工程教授王海燕，以及材料工程博士后研究员、第一作者徐科。
“块体钴铝金属间化合物是一种高强度化合物，”张说道，“在其他应用中，它们有望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。高强度、具有塑性变形能力的钴铝合金可以让发动机或涡轮在承受更高离心力的同时转速更快，从而提高其性能。”
像许多金属间化合物一样，块体钴铝在室温下特别脆。赋予其更大的塑性可以使其更容易制造，并允许工程师为发动机和其他高性能系统创造更复杂的结构。
“在这项研究中，我们表明钴铝在室温下可以表现出显著的塑性，为提高钴铝的塑性变形能力提供了一种新的替代方法，”徐说道。
原子缺陷转化为优势
早期改善钴铝塑性的努力集中在改变其成分、调整其微观结构或与其他材料结合。这些方法效果有限，因为它们没有在金属间化合物内部产生足够的高密度位错。
位错是晶体中的微观不规则性，其中的原子不再以完美的有序模式排列。虽然“缺陷”一词可能暗示弱点，但位错可以帮助金属在极端外力下变形，而不是断裂。
要使钴铝在室温下具有塑性，材料需要大量的这种位错。
“我们在溅射沉积过程中直接在钴铝中引入了位错，”张说道，“更重要的是，我们设计了非晶界面框架（FAIs）——材料中用于结构柔性的柔性边界，它们在变形过程中部分结晶，并促进钴铝金属间化合物中位错的形核。”
非晶界面框架由柔性内部边界组成，这些边界最初不具有与周围材料相同的有序晶体结构。随着钴铝变形，这些界面的一部分结晶并帮助产生新的位错。
强度高达结构钢的10倍
制造过程中引入的位错与非晶界面框架相结合，产生了一种强度极高的钴铝金属间化合物。
测试表明，该材料的屈服强度达到6 GPa（吉帕斯卡，一种应力测量单位）。这大约是高强度结构钢屈服强度的6到10倍。
屈服强度描述了材料在开始永久变形之前所能承受的应力大小。尽管具有极高的强度，该钴铝材料在室温压缩下也承受了15%的塑性应变。
“这种超高机械强度和出色塑性的结合，使目前的钴铝纳米层压体系成为迄今为止报道的最佳金属间化合物体系之一，”徐说道。
一种不同的金属间化合物制造方法
研究人员利用磁控溅射沉积工艺制备了该材料，这是一种在表面施加薄膜的工艺。这种非平衡制造方法使他们能够制造出具有非晶铝钴二元界面的钴铝。
这种方法与传统金属铸造（从液态到固态）截然不同，后者从熔融材料开始，让其冷却成固态形式。
相反，磁控溅射沉积从合金蒸气制造材料。这一过程使研究人员能够在钴铝中引入比传统铸造通常允许的多得多的位错。
“这种非平衡制造方法使我们能够从合金蒸气制造固体材料，并在钴铝中引入大量位错，”张说道，“我们能够在钴铝中实现显著的强度和塑性，这是传统铸造无法实现的。”
观察材料变形
为了测量钴铝金属间化合物的机械性能（强度和塑性），团队在扫描电子显微镜内部进行了原位力学测试。
这种方法使研究人员能够观察材料的变形过程，并以微米精度追踪其行为。
休斯顿大学的Yashashree Kulkarni教授和她的博士生Anand Mathew也为该项目做出了贡献。他们利用分子动力学模拟研究了原子水平上钴铝内部发生的过程。
模拟显示，非晶界面框架在变形过程中结晶。它们还揭示了位错从层界面移动到周围的钴铝层，这有助于解释材料如何能够在不迅速断裂的情况下变形。
扩展金属的工业用途
实验表明，专门设计的层界面可以显著改善钴铝的塑性变形能力。研究人员现在将尝试将相同的概念应用于可为工业规模应用生产的块体钴铝纳米复合材料。
“我们还将利用其他金属间化合物测试这一概念，旨在确立非晶界面框架在提高此类金属塑性方面的普遍适用性，”徐说道。
研究的下一阶段将由张的纳米金属小组领导。该小组结合材料合成、原位纳米力学测试和先进的原子级微观结构分析，开发既强又可变形的金属材料。
张更广泛的研究还包括纳米材料合成、纳米结构材料的辐射损伤、纳米结构金属的力学行为以及功能材料。
在航空航天和能源领域的潜在应用
这些发现可能对几个先进技术领域产生重要影响。更强且更具延展性的金属间化合物可能支持改进型涡轮叶片、飞机发动机、能源系统、国防技术以及太空用材料的开发。
“延展性金属间化合物将显著提升我们为航空航天、外层空间、能源和国防应用设计先进材料的能力，”张说道。
这项研究的主要资金由国家科学基金会的金属和金属纳米结构计划提供。