材料的顶级问题:一个新的合金设计概念!实现超强、高韧性、高热稳定性合金

高性能结构材料的设计一直致力于追求卓越的力学强度、延展性和热稳定性,然而这些性能通常难以兼得。虽然晶体-非晶复合合金通常具备比非晶态合金更高的延展性,但是晶体-非晶界面容易促进异质形核,不利于晶体-非晶复合合金的热稳定性。

针对以上难点,来自德国马克斯普朗克钢铁研究所(马普所)等单位的研究人员通过热力学理论指导,提出了一种全新的合金设计理念,成功开发出兼具高热稳定性、超强以及可塑性的晶体-非晶纳米复合合金。这一合金设计理念模仿了自然界共生系统的稳定机制,因此这种合金被称之为“共生合金”。相关工作近期发表于材料研究领域顶级期刊Materials Today(影响因子:31.041)。

论文链接:

https://doi.org/10.1016/j.mattod.2021.10.025

通过设计制备Cr-Co-Ni(晶体相,18nm厚)/Ti-Zr-Nb-Hf-Cr-Co-Ni(非晶相,12nm厚)纳米片层结构合金,实现了这种共生合金设计理念。研究发现,加热或力学加载可促进Ni、Co从Cr-Co-Ni晶体相向Ti-Zr-Nb-Hf-Cr-Co-Ni非晶相的迁移。这一行为可以动态提升非晶相的负混合焓,从而动态稳定其非晶结构。因此,该共生合金的晶化温度(TX>973K)比初始TiZrNbHf基非晶相提高了200K。另外,加热或力学加载可促进Cr-Co-Ni晶体相发生HCP到FCC相变,使得其具备优异的延展性。这一共生合金在室温下具备3.6GPa的超高压缩屈服强度以及15%的均匀塑性应变,这一综合力学性能优于传统的非晶合金以及纳米片层合金。这种非晶相和晶态相之间元素的交互作用开启了一种全新的共生策略,实现了兼具高热稳定性与超强高韧的合金材料。

文章共同第一作者为德国马克斯普朗克钢铁研究所(马普所)的吴戈刘畅博士(吴戈教授现已全职加入西安交通大学),共同通讯作者为德国马普所/法国CNRS的Matteo Ghidelli博士、南方科技大学的逯文君助理教授、德国马普所的Dierk Raabe院士、中南大学的李志明教授。其他作者还包括德国马普所的Andrea Brognara,香港城市大学的鲍岩博士和刘思达博士,苏州大学的吴小香教授,安徽工业大学的夏文真教授,德国马普所的赵欢博士、饶婧博士生、Dirk Ponge博士、Vivek Devulapalli博士生与Gerhard Dehm教授。

图1. 晶体-非晶共生合金的微观结构和成分。(a)典型高角环形暗场扫描透射电子显微图(HAADF-STEM)。插图中是针对截面试样的典型选区电子衍射(SAED)花样,显示了一个非晶环和具有{00 0 2}强织构的衍射花样。(b-c)截面高分辨扫描透射电子显微图(HR-STEM),分别显示了<11 -2 0>晶带轴下的HCP结构(晶态CrCoNi相)和非晶相的类迷宫花样。插图是相应的快速傅里叶变换图(FFT),显示了HCP相的{00 0 2}晶面是垂直于合金生长方向的,非晶相呈现出典型的漫射环特征。(d)晶体-非晶共生合金的HAADF-STEM以及能量散射谱图(EDS)。(e)原子探针层析(APT)数据的三维重构图,显示了纳米片层结构。(f)从APT数据中截取1nm厚薄片,并作出关于Cr、Co、Ni的2D浓度分布图。(g)在(f)图中箭头所示区域的1D成分图。

图2. 晶体-非晶共生合金的热稳定性。分别于(a)室温下,(b)623K退火600s,(c)973K退火3600s的原位加热实验下的HAADF-STEM图。在(a)中的红色和绿色箭头分别指向非晶层和晶体层。(d)在不同退火温度保持1小时后共生合金的硬度变化。(e)试样于973K非原位退火1小时后的球差校正HRTEM图,显示了晶体-非晶纳米复合结构得以维持。右上角和右下角的插图为虚线绿框和虚线黄框区域的FFT图,分别显示了HCP与FCC结构。在靠近晶体-非晶界面的非晶层中可以发现有一些很小的纳米晶(箭头所示),这一现象可能是退火过程中的不完全非晶化造成的。原因是在于靠近晶体-非晶界面处的非晶层含有较少的Ti、Zr、Nb和Hf元素,导致了玻璃形成能力(GFA)的下降。(f)623K退火1小时试样的APT数据的三维重构。(g)在(f)图中箭头所示区域的623K和973K退火1小时试样的1D成分图。

图3. 晶体-非晶共生合金在室温下的原位TEM拉伸变形行为。晶体-非晶共生合金在(a)拉伸前以及(b)拉伸过程中的明场TEM图。(c)在图(b)中放大区域的环形暗场(ADF)STEM图,显示了在拉伸过程中裂纹的产生。(d1-d3)在拉伸过程中裂纹前端晶体层的HRTEM原位视频截图,显示了其宽度从18nm减小至14nm。(e1-e3)在(d1-d3)中方框区域的放大图。(f1-f3)在(e1-e3)中方框区域的晶格解析结构放大图,显示在拉伸过程中同一区域发生了由HCP向FCC的相变。(g1-g3)晶体相和非晶相在断裂过程中的HRTEM原位视频截图。(h1-h3)与(i1-i3)(g1-g3)中方框区域的放大图,显示了断裂过程中晶体相和非晶相都发生了颈缩现象。

图4. 晶体-非晶共生合金的力学性能。(a)微米柱试样的压缩工程应力-应变曲线。(b)合金的归一化剪切屈服强度vs.均匀变形数据图,显示共生合金相比传统非晶合金与纳米片层合金具有更优异的综合力学性能。(c)共生机制示意图。在初始合金中,晶体相和非晶相分别具备HCP(BCBC…原子堆垛次序)与非晶结构。加热过程中,化学元素由晶体相向非晶相动态迁移(左图箭头所示),动态增强了非晶相的负混合焓,从而稳定了共生合金整体的晶体-非晶结构。另外,在加热过程中,化学元素迁移改变了晶体相的层错能,使得晶体相的一部分HCP结构转变为FCC结构(ACBA…原子堆垛次序)。(d)该类新型共生合金体现出三方面的效应:化学元素由晶体相向非晶相发生动态迁移(动力学);晶体相较低的层错能与非晶相较大的负混合焓(热力学);晶体-非晶结构具备优异的热稳定性、晶体相由HCP向FCC转变带来更高的塑性变形能力、非晶相的均匀塑性流变(性能)。

*感谢论文作者团队对本文的大力支持。

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