其他

高熵合金材料科學新紀元

傳統合金配方以一種金屬元素為主,再添加少量其他元素來改變材料特性。現在,研究人員發現,多種元素以等原子比混合會產生高亂度效應,反而得到延性更佳的新合金。

撰文/葉均蔚

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高熵合金材料科學新紀元

傳統合金配方以一種金屬元素為主,再添加少量其他元素來改變材料特性。現在,研究人員發現,多種元素以等原子比混合會產生高亂度效應,反而得到延性更佳的新合金。

撰文/葉均蔚


我正由新竹清華大學開車前往台北,那是1995年5月的某天早上,當我馳騁公路之際,有個靈感突然飛進腦中:如果用原子數相近的多種元素配製合金會如何?


傳統合金配方原則幾乎都是在一種主要金屬元素中添加少量其他元素,一般認為,如果添加多量的其他金屬元素會使材料變硬,如果過量則變得太脆而難以應用。即使20世紀材料科學理論蓬勃發展,研究人員仍依此法設計配方、製作並測試,未曾突破此觀念。


晚上回到實驗室,我把新想法告訴將要升碩士二年級的黃國雄,並請他實驗看看;我也拜託清大材料中心教授陳瑞凱教導他使用電弧熔煉爐。黃國雄首先熔出兩顆小錠塊,雖然各破裂成數小塊,但我認為成功在望,便請他多翻幾遍重新熔製,使各成份均勻混合。最後終如預期得到完整小圓錠,確認此種合金的各種元素不會互相排斥,我懸著的一顆心才放了下來。


傳統合金的困境


其實,在讀大學之前,我對金屬的認識除了常見的金、銀、銅、鐵、錫外,就是鋁合金了。不同金屬其特性與應用各異,鋁合金較少見、質量輕、強度低,單位重量的回收價值高,所以小時候賣破銅爛鐵時,大人總會交代破鋁盆要與鐵和銅分開稱量。


就讀清華大學材料科學工程系後,我才知道除了以往熟知的金屬,還有更多應用材料,例如鈦合金、鎳合金、鎂合金,或是耐高溫的鉬合金與鎢合金。每種合金材料又因添加的元素種類而不同,例如鋁合金系統就有七種系列,從純鋁到各自添加少量銅、鎂、錳、矽及鋅元素製造出的合金;雖然主要元素是鋁,但各種配方製造出的合金特性皆不同,有的可以做為可樂及啤酒易開罐,有的也可以用來製造車輛及遊艇,甚至打造飛機結構。每個系列中,改變合金元素配比又可得到更多不同性質,舉例來說,「鋁-1.0%鎂-0.6%矽」的強度高且易擠型,廣泛用於製作自行車車架;「鋁-4.5%鋅-1.4%鎂」的強度更高,焊接性及耐蝕性也佳,近年常用於製作高級自行車車架。


當1960年代材料科學理論建立,科學家使用電子顯微鏡看到材料中的差排(dislocation)及細微組織構造,得以深入掌握材料的特性及原理,改良或控制合金材料才變得更有效率。隨著技術進步,傳統合金設計面臨更多功能、更高標準、更長壽命,而且更低成本的新需求;加上地球資源匱乏、氣候暖化及環境污染日益嚴重,如何在要求節能、保護環境與永續經營的同時,仍能提出符合嚴苛需求的新配方與製程?不過,這些挑戰向來是材料開發的動力。既然如此,有可能開發出一種滿足所有需求的萬能材料嗎?顯然不可能,因為不同應用有不同需求。因此,材料科學著重在針對特定需求尋找並開發新材料。


然而,傳統的開發原則在20世紀末幾乎走到了盡頭。傳統合金系統大約30種,即使添加適當的元素製成不同合金,在經歷近100年地毯式的研究後,似乎也難以玩出新花樣。我在1980~1990年代嘗試突破此一困境,試圖利用特殊的製程技術提升傳統合金材料的強韌度。我從熟悉的鋁合金著手,分別於1988年與1991年發明雙盤快速凝固法及往復式擠型法(參見右頁〈以製程追求材料極限〉),雖然可以得到細緻、性能優越的鋁合金材料,但不是製程步驟繁複,就是設備造價昂貴。為了突破瓶頸,我們可能要先了解傳統合金為何變脆。


合金脆化的秘密


自古以來,製作合金為的是改良材料的性質。早在春秋末年齊國工匠手工業技術的經驗談《考工記》中,便提到冶煉青銅的六種銅錫配比:「金有六齊:六分其金而錫居一,謂之鐘鼎之齊;五分其金而錫居一,謂之斧斤之齊;四分其金而錫居一,謂之戈戟之齊;三分其金而錫居一,謂之大刃之齊;五分其金而錫居二,謂之削殺矢之齊;金錫半,謂之鑒燧之齊。」此番說法與現在材料科學的傳統合金配方原則相符:純銅性質柔軟,加些錫(約佔10%)會產生固溶強化(solution hardening)現象,強度增加後可鍛製成盤碗、盒、髮簪等日常器物與飾品。繼續增加錫含量,則延性變差、不適合鍛製,必須採用鑄造法,同時隨著硬度增加,材料也越來越脆,因此有鐘鼎、斧斤、戈戟、大刀、削殺矢、鑒燧等不同硬度需求的工具。


為何錫含量越高材料越脆?隨著錫含量增加,材料熔點越來越低,當錫含量低於10%,基本上以延性好、易於加工的固溶相為主;但錫含量提高後,陸續有其他化合物相生成,質地因而變脆。以鐘為例,錫含量約10%的青銅鐘,聲沉而渾厚,錫含量約20%的鐘聲則噹噹清脆。許多合金系統都有類似的現象,例如在鐵中加碳,隨著碳含量增加,會生成脆性化合物雪明碳鐵(Fe3C)。因此到了今日材料科學家仍然認為,添加多種元素及添加量增高都會使得化合物相多、複雜,材料因而變脆。


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