Early-stage local melting during solid-state sintering of a Cu-Ni-Ti-Zr-Hf alloy: A combined thermodynamic and kinetic analysis
这项研究表明，Cu-Ni-Ti-Zr-Hf合金在固态烧结过程中出现的早期局部熔融并非由宏观热梯度引起，而是由于微观偏析导致的局部成分变化，这种变化因其与Hf和Ti之间极强的负混合焓而降低了富Cu区域的固相线温度。
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金属长期以来一直是现代工程学的支柱，但我们今天所使用的合金往往受到传统设计规则的限制。几十年来，科学家们通过在一类主要金属中添加少量的其他元素来微调其性能，从而创造新材料。然而，一种更新的方法涉及将五种或更多种不同的元素以近乎相等的比例混合，以创造所谓的复杂高熵合金。这些材料有望拥有非凡的强度以及耐热和耐腐蚀性能，使其成为航空航天或医疗器械等高要求应用的理想选择。然而，制造这类材料非常困难。当它们在熔炉中熔化在一起时，这些复杂的混合物往往会分离成不均匀的块状，或者形成削弱其潜力的脆弱树状结构。为了避免这些缺陷，研究人员转向了粉末冶金法，这是一种将金属转化为细粉，然后通过加热和加压压制成固体块的过程。这种方法为获得均匀材料提供了一条更洁净的路径，但在施加热量时，它也引入了自身的一系列谜团。
在最近的一项研究中，研究人员调查了一种由铜、镍、钛、锆和铪组成的特定复杂合金。他们希望使用一种称为放电等离子烧结的技术将这种混合物转化为固体块，该技术在施加高压的同时快速加热粉末。团队首先将原材料熔化在一起，然后利用高频声波将液态金属喷射成微小的球形液滴，使其瞬间冷却成粉末。这种快速冷却过程将元素捕捉在一种均匀且混沌的状态中，防止了它们像在缓慢冷却的熔炉中那样发生分离。随后，他们将这些粉末压制成固体形式，压力下的温度范围在850到1100摄氏度之间。根据预测金属受热行为的标准图谱，这种合金在所有这些温度下都应保持完全固体状态，直到约1260摄氏度时才开始熔化。
然而，当研究人员将粉末加热到1100摄氏度时，意想不到的事情发生了。材料并没有保持固体，而是部分区域开始局部熔化，形成了随后凝固成一种新型树状结构的液体。这是一个谜题，因为整体温度远低于整个合金应该变成液体的临界点。团队必须弄清楚为什么一小块材料会在其他部分保持固体的同时发生液化。他们排除了加热过程仅仅是不均匀或熔炉在某些位置温度过高的可能性。如果热量是诱因，那么熔化会在样本中随机发生，但观察到的液体是在非常特定的模式下形成的，这表明其成因是化学性的而非热力学性的。
为了解决这个问题，研究人员回顾了粉末的历史。尽管在雾化过程中进行的快速冷却使粉末在肉眼看来是均匀的，但在微观层面，其中的元素并非完美混合。金属从液态凝固的过程最初会将某些元素（如铜）推向微小液滴的边缘，而另一些元素（如镍和铪）则留在中心。当粉末在随后的压制过程中再次受热时，原子开始移动，但移动距离很短。由于铜与铪具有强烈的化学吸引力，铜被困在颗粒内部，而钛则向颗粒之间的间隙移动。这种运动在金属内部创造了微小的、孤立的区域，在这些区域中，铜的浓度比原始混合物中的浓度高得多——在某些地方从预期的15%上升到了高达41%。
由于铜与铪的混合程度极高，这些富铜区域的熔点比其余合金都要低得多。这就像是在冰上撒盐会降低冰的熔点，使其即使在寒冷的日子里也能变成水一样。在这种情况下，这些特定位置的高浓度铜和铪降低了该微小区域的熔点，使其低于1100摄氏度。当研究人员达到这个温度时，这些特定的区域变成了液体，而周围具有不同化学成分的材料则保持固体状态。随后，这些液体冷却回原状，形成了团队观察到的树状结构。
这项研究证实，熔化并非由熔炉过热引起，而是由粉末本身隐藏的化学历史所致。制造粉末时的快速冷却同时也创造了一种隐藏的不稳定性，捕捉了那些倾向于分离的元素。当施加热量时，元素进行了程度适中的重新排列，从而创造了这些低熔点区域。这一发现对于想要使用这些先进合金的工程师至关重要。它表明，即使一种材料在标准图表上看起来是固态的，其制造方式以及内部微小的化学变化也可能导致其提前熔化。通过理解这些局部液态区域是如何因铜和铪的相互作用而形成的，科学家可以更好地预测如何处理这些复杂金属，而不至于意外地将其变成一滩液体，从而确保它们能充分发挥出作为未来强韧耐用材料的潜力。
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