一步法氧化还原制备合金材料！

【研究背景】

随着可持续发展理念的日益重要，冶金生产中的环境影响引起了广泛关注。冶金生产传统上包括金属从矿石中提取、液态合金化以及热机械处理等多个步骤，这一方法自青铜时代以来沿用至今，然而由于其产生的温室气体排放和高能耗问题，逐渐暴露出其局限性。例如，近10%的温室气体排放源自化石燃料的使用和高温冶金处理，这使得寻找更为环保的合金制造方法成为研究热点。

为了解决这一挑战，德国马克斯·普朗克可持续材料研究所所长Dierk Raabe教授（德国国家科学院院士）团队提出了基于氢气的氧化还原合成和压实的新方法。这一方法将金属提取、合金化和热机械处理整合为一个单一的固态操作，极大地降低了二氧化碳排放，同时提高了能量利用效率。

研究表明，该方法能够从氧化物直接合成出具有优异性能的块状合金，且其合成过程在远低于金属熔点的温度下完成。例如，在Fe-Ni英瓦合金的制备中，所合成的合金不仅展现出接近零热膨胀的特性，还具有较高的微观结构可调性，显示出广阔的应用前景。

【表征解读】

本文通过使用二次电子成像（SEM）和能量色散X射线光谱（EDS）等表征手段，发现了Fe–Ni英瓦合金的均匀混合特性，从而揭示了这一合金在热膨胀性能上的优越表现。这些仪器的应用使作者能够详细观察合金的微观结构，确认了不同氧化物成分的均匀分布，为后续的合金性能研究提供了可靠依据。

针对热膨胀性这一重要现象，本文通过对合金在不同温度下的微观机理表征，获得了合金内部原子级别的结构信息，进而挖掘了其在低温和高温条件下的热膨胀特性。具体而言，微观结构的单相面心立方（fcc）相场特性，确保了Fe和Ni之间的无限溶解度，这一现象在材料设计中起到了关键作用，使得该合金能够在实际应用中实现近零热膨胀。

在此基础上，通过结合热力学设计宝藏图和动力学概念，作者的研究启发了对合金合成过程的深入理解，尤其是如何在单一固态操作中实现从氧化物到块状合金的直接转化。这一研究不仅推动了传统冶金工艺的革新，也为未来的合金设计提供了新的思路。值得强调的是，研究表明，优化合金成分及其微观结构的可调性，能够显著提升材料在高精度仪器和低温应用中的性能。因此，应该着重研究这一合金体系在不同合成条件下的微观机理，以及其在其他类型氧化物合金合成中的潜在应用。

【图文速递】

图1：用氧化物一步可持续合成具有确定微观结构的块体合金。

图2. 用氧化物制备的因瓦合金的合成动力学、微观结构和热膨胀特性。

图3. 合成机制的原位SXRD评估。

图4: 不同转化率下的微观结构分析和动力学机制探索。

【科学启迪】

总之，作者在此报告了一种基于氧化还原的可持续合金设计理念，能够实现从氧化物直接合成块状合金的一步法。遵循热力学指导方针和集成的动力学概念，作者将该方法应用于制造块状Fe–Ni英瓦合金，其微观结构和块体性能组合已准备好在实际应用中部署。所合成的合金不仅表现出接近零热膨胀的特性，与传统的多步骤金属提取、液态合金化和热机械处理方法制备的英瓦合金相一致，而且在微观结构的可调性方面也具有广泛的潜力。然而，作者方法的普遍性超越了Fe–Ni二元英瓦合金合成的特定范围：相同的理念可以扩展（1）到各种稀薄氧化物结合的过渡金属，以及（2）到来自不同来源的高度污染的氧化饲料。该方法还消解了提取冶金和物理冶金之间的一些经典界限，启发了从氧化物直接转化为具有应用价值的产品的一步固态操作。

原文详情：Wei, S., Ma, Y. & Raabe, D. One step from oxides to sustainable bulk alloys. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07932-w