中低密度高熵合金之合金設計與其微奈米尺度潛變機制研究(2/3)

相較於傳統合金，高熵合金通常擁有五種或以上等莫耳元素組成，且合金中擁有較高的混和熵。高熵合金在高亂度、嚴重的晶格扭曲和緩慢的擴散效應等影響下，導致合金可在特定的冷卻條件下形成穩度的單相結構。因此合金能展現出更好的機械與化學性質，例如較高的強度、熱穩定性和抗腐蝕性等等。目前典型的高熵合金主要由鐵、鈷、鎳、鉻、錳等過渡元素組成 其密度通常落於8.1 g/cm3。而密度介於 3-5 g/cm3為中低密度合金，低於3 g/cm3則稱低密度合金。在此三年研究中，中低密度高熵合金旨在設計和表徵為相的演變、微結構、熱性質、常溫及升溫的機械性質。該系統將從TiAlNb及TiAlV三元合金開始，逐步添加其他的元素如Li、Zr、Cr、Y、Sc等。合金設計由實驗鑄造經驗及Calphad法共同進行。將使用真空感應熔解鑄造來製備合金及採用商業化軟體如Pandat或ThermalCal進行熱力學計算模擬。由於高熵合金通常要求表現出緩慢的擴散，導致其熱穩定性及耐熱性質。本研究還將探討新設計高熵合金的熱擴散、熱導率、熱容量及熱膨脹性質。此研究的重點將放在新設計的中低密度高熵合金的潛變特性，以便應用於耐熱的結構上。為了瞭解每個FCC相及BCC相對於抗潛變的貢獻，將使用背向電子繞射(EBSD)定位此具潛力的高熵合金的每個FCC相及BCC相的方向，像是[111]、[110]、[100]，而在測試各個方向的FCC及BCC相的潛變性質上，將使用新型的Hysitron奈米壓痕系統搭配Berkovich或micropillar loading，實驗溫度為300-800℃。利用潛變速率及擴散速率來檢驗熱機械穩定性與抗潛變能力。潛變指數、活化體積及活化能等數據則用以研究潛變的機制。其中活化體積及活化能也可幫助評估緩慢擴散在多元高熵合金中的可行性。 利用有限元素分析 (FEM) 、分子動力學 (MD)及動力學蒙地卡羅 (KMC) 的模擬計算來證實及比較在奈米尺度下室溫及高溫之機械性質，特別是抗潛變能力的分析。整體來說，這項聯合計畫會從四大方面進行：(i) 合金材料製備與微結構控制、(ii) Calphad相圖計算與建構、(iii) 常溫/高溫材料機械性質、(iv) 有限元素分析與分子動力模擬計算。三年的研究將從三元高熵合金材料出發，後續預期接著四元、甚至多元高熵合金，調整其晶體結構、顯微組織、熱力和熱機械性能。在最後一年中，在金屬工業研究發展中心與工業技術研究院的協助下，這些新研發的中低密度高熵合金即將投入工業應用端；此外，還建立了一個國際合作團隊，在未來三年內將與美國、香港、日本、台灣和中國的許多著名學者同步進行研究。