传统的冶金生产包括三个步骤：从矿石中提取金属，通过液体加工和热机械加工将其混合成合金，以获得所需的微观结构。
这种自青铜器时代就开始实行的顺序方法，由于对可持续经济的迫切需求，今天已经达到了极限：几乎10%的温室气体排放，是由于使用化石还原剂和高温冶金加工。
在此，来自德国马克斯普朗克研究所Shaolou Wei, Yan Ma，Dierk Raabe等研究者提出了一种基于H2的氧化还原合成和压实方法，通过将金属提取、合金化和热机械加工合并到一个单一的固态操作中来改革传统的合金制造。相关论文以题为“One step from oxides to sustainable bulk alloys”于2024年09月18日发表在Nature上。
通过基于氢气的氧化还原反应，研究者的‘一步氧化物到块状合金’操作(图1a)旨在从三个方面革新已有千年的多步骤合金制造过程(图1a，顶部)：首先，消除使用化石还原剂提取金属时产生的CO2排放；其次，降低与熔化温度相关的液相加工能耗；第三，直接利用扩散过程进行致密化。
研究者可持续合金合成路线的先验可行性，取决于传统上分离的过程步骤的热力学本质，这些步骤在此被合并：从氧化物中提取金属、合金元素的原子级混合以及通过扩散进行的块状材料致密化(图1a，底部)。
研究者的方法基于一个通用的热力学设计‘藏宝图’(图1b)，使用两个最重要的物理参数：氧化物在氢气中的固态还原性(以)；以及合金化能力(以物质之间的混合焓量化，研究者在图1b中举了Fe–X二元体系为例)。
位于第一和第四象限的-元素(Fe、Ni、Co和Cu)是那些能够通过氢气在固态下完全从其氧化物中还原的元素，且它们越接近理想混合线，意味着其与Fe的替代合金化能力越强(图1b)。
研究者的设计‘藏宝图’的热力学有效性与历史上合金粉末或纳米复合材料的制备尝试以及近期氢气直接氧化物还原的文献高度一致。为了合成不仅仅是粉末或纳米颗粒，而是可用于实际应用的块状合金，一个次要考虑因素随之出现：必须获得足够的致密化和可重复的块材性能，这受质量传输和微观结构形成机制的动力学支配。
这一设计原则至关重要，因为传统的多步骤合金制造总是需要第三步加热铸态材料以进行热机械处理，从而赋予其所需的微观结构-性能组合(图1a，顶部)。
尽管精确的动力学设计指南，依赖于目标合金体系和产品性能，但仍可以在整体上考虑氧化物转化为合金和致密化之间的相互作用，提出一个普遍概念(图1c)。
在一个包含温度、时间和转化率的理论框架中，这两个现象将动力学加工空间划分为四个区域，其中还涉及一个关键的加热速率：研究者的‘一步氧化物到块状合金’操作可能仅在区域(i)和(ii)中实现，在这些区域中氧化物转化为合金的过程在完全致密化之前完成，且在区域(i)中进一步升温仅会导致显著的微观结构粗化。相反，区域(iii)和(iv)表明氧化物转化为合金不完全，且分别根据温度的不同表现出中度或显著的致密化。
以铁-镍因因瓦块状合金为例，这是最吸引人的铁材料之一，但生产起来最脏，因瓦表现出独特的低热膨胀，使从精密仪器到低温部件的关键应用成为可能。
然而，它是出了名的不环保，每公斤生产镍所产生的二氧化碳排放量是铁的10倍以上，这使这种合金等级成为完美的示范案例。研究者的可持续方法，将氧化物直接转化为绿色合金，具有应用价值，所有这些都是在远低于体熔点的温度下获得的，同时保持零二氧化碳足迹。
图1 由氧化物一步可持续合成具有明确微观结构的大块合金。
图2 氧化物制备因瓦合金的合成动力学、显微组织和热膨胀性能。
图3 原位SXRD评价合成机理。
图4 不同转化率下的微观结构分析及动力学机理探讨。
综上所述，研究者提出了一种以氧化还原为灵感的可持续合金设计理念，实现了从氧化物直接一步合成块状合金。根据热力学指导原则和集成的动力学概念，研究者将该方法应用于块状Fe-Ni因瓦合金的制备，所得合金具有适合实际应用的微观结构和块材性能组合。
该合金不仅表现出接近零的热膨胀特性，与通过传统的多步骤金属提取、液态合金化和热机械处理工艺制备的因瓦合金相一致，而且在微观结构的可调性方面具有广泛的潜力。
该方法普遍适用于更广泛的材料领域：该理念不仅可扩展至各种稀氧化物结合的过渡金属，还可应用于来源多样且高度污染的氧化原料。
此外，这一方法打破了传统冶金和物理冶金之间的一些界限，激发了从氧化物直接转化为可应用产品的单一步骤固态操作。
【参考文献】
