摘要：合金化是一种将元素混合的过程，因其广泛应用于航空航天、能源、建筑等领域而备受关注。与传统金属材料相比，合金材料具有更高的强度、耐腐蚀性和多样化的性能。然而，合金材料在长期使用过程中容易发生脱合金化，即某些元素选择性流失，导致材料结构退化。这一问题给合金设计和应

研究背景

合金化是一种将元素混合的过程，因其广泛应用于航空航天、能源、建筑等领域而备受关注。与传统金属材料相比，合金材料具有更高的强度、耐腐蚀性和多样化的性能。然而，合金材料在长期使用过程中容易发生脱合金化，即某些元素选择性流失，导致材料结构退化。这一问题给合金设计和应用带来了严峻挑战。

成果简介

有鉴于此，马克斯·普朗克研究所Dierk Raabe教授团队以及Shaolou Wei、Yan Ma等人合作在Science Advances期刊上发表了题为“Reactive vapor-phase dealloying-alloying turns oxides into sustainable bulk nano-structured porous alloys”的最新论文。

该团队设计了一种基于热力学驱动的全新合成路径，成功实现了从氧化物出发一步制备块体纳米结构多孔合金的工艺。他们以Fe₂O₃和NiO氧化物为原料，通过反应性气相环境中的脱合金化-合金化过程，制备了Fe-Ni-N多孔马氏体合金。这种方法避免了传统合金制备中的碳排放，具有显著的环境友好性。

研究团队利用同步辐射X射线技术和原子尺度分析，揭示了关键动力学过程及微观结构的形成机制。结果表明，该方法通过气相氧化还原反应促进了氧原子的迁移和氮间隙合金化，大幅提高了合金的机械性能和化学稳定性。此外，他们提出了基于热力学的微观结构设计指南，为未来多孔合金材料的开发提供了理论支持和技术路径。

研究亮点

(1) 实验首次在反应性气相环境中结合脱合金化与合金化的冶金过程，成功从氧化物（Fe₂O₃和NiO）一步固态工艺制备了纳米结构化Fe-Ni-N多孔马氏体合金。这一方法不仅实现了材料的批量生产，还避免了传统制备工艺中的碳排放问题，开辟了零碳足迹合金设计的新路径。

(2) 实验通过热力学理论构建了合金化与脱合金化结合的“宝藏地图”，明确了微观结构设计的指导原则。通过定量分析，实验揭示了气相环境中氧空位迁移和原子间反应的关键机制，使得在广阔的设计空间中实现了高效的材料合成导航。

(3) 实验通过介观尺度的微观结构分析，验证了块体纳米结构多孔合金的形成机制。分析结果表明，该合金具有均匀的多孔结构和优异的机械性能，为其潜在的实际应用奠定了基础。

(4) 实验通过原子尺度的研究，揭示了氮间隙合金化的直接证据，进一步证明了反应性气相环境在调控间隙原子溶解及微观结构形成中的重要作用。

图文解读

图1. 基于热力学的反应性气相脱合金化-合金化合成的微观结构设计指南。

图2. 由Fe₂O₃和NiO氧化物制备的多孔合金的合成动力学及其三维特性。

图3. 合成块体纳米结构多孔合金的介观尺度微观结构分析。

图4. 氮间隙合金化的原子尺度证据。

图5. 合成机制的原位同步辐射X射线研究及微观结构设计的动力学构想。

结论展望

本文的研究提供了一种新的金属合金设计范式，将氧化物的反应性去合金化与合金化过程结合，形成一种具有广泛应用前景的固态操作方法。该方法通过精确控制气相反应和合金化过程，赋予反应物中的每个原子特定角色，例如利用氢气去除氧气以及通过氮气提供合金化所需的间隙原子。

这种全新的设计理念不仅为合金的合成提供了更加精准的热力学导航，而且能够扩展到不同领域，如大宗金属氮化物永磁合金的制造以及利用受污染的矿石或冶金废料制备合金泡沫。通过多尺度微观结构分析及原位实验，本文揭示了合金化与去合金化过程中微观机理的深入机制，提出了一个基于动力学的Ashby型概念，进一步推动了微观结构设计的创新。

该研究为未来化学合成、提取冶金和物理冶金的协同发展提供了新的方向，并为氧化物乃至矿物的直接应用产品转化提供了理论依据和技术路径。

文献信息

Shaolou Wei et al. ,Reactive vapor-phase dealloying-alloying turns oxides into sustainable bulk nano-structured porous alloys.Sci. Adv.10,eads2140(2024).DOI:10.1126/sciadv.ads2140

来源：华算科技