《Acta Mater》超强性能多元纳米晶合金

众所周知,合金通常在纳米晶状态下(晶粒通常小于100 nm)表现出超强的性能,而这些性能主要体现在高强度,可塑性和耐磨性,在磁性材料的高矫顽力和柔软性,以及优异的热电性能等。然而,纳米晶合金结构与能量损失有很大关联性。通常这种纳米结构是不稳定的,易粗化。因此,科学研究者们如何有效的阻止粗化是实际实施与快速应用的关键。

近日,来自美国的耶鲁大学和麻省理工学院共同合作的一项最新研究成果表明采用组合共溅射技术可以很好地稳定纳米晶合金,从而获得稳定的超强性能。相关论文以题为“Combinatorial study of thermal stability in ternary nanocrystalline alloys”于2020年2月5日发表在金属材料领域顶刊《Acta Materialia》上。

论文链接:

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.01.059

《Acta Mater》超强性能多元纳米晶合金

随着科技快速发展,人们越来越关注三元或更高阶系合金,该项研究的相关科研人员通过采用组合共溅射技术有效地研究这类体系的组成空间并且结合组成-晶粒-尺寸图揭示纳米晶体的稳定性。本文研究比较了Pt-AuPd和Pt-AuAg两组三元合金,在Pt-AuAg中,两个二元体都被认为是稳定的。而在Pt-AuPd中,Pt-Pd二元结构是不稳定的,并且Au诱导Pd的共分离已有报道。对于三元Pt-AuAg,始终发现它具有很好的热稳定性。相比之下,Pt-AuPd三元系统分为不稳定区和稳定区,前者Pd溶质占主导地位并析出,后者Au溶质占主导地位并在晶界保留Pd的稳定区域。总之,将当前的理论与引入的组合方法相结合,可以快速确定稳定的多组分纳米晶组成空间。

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图1. 研究工作流程

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图2. 按工艺条件分组的Pt-AuAg系统中五种代表性成分的选定X射线衍射图

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图3. 定量分析衍射图

该项研究利用组合共溅射技术主要研究了两种三元合金系纳米晶结构的热稳定性。这代表了三元体系中纳米晶合金稳定性的两种截然不同的情景。对于Pt-AuAg,两种溶质独立地通过晶界产生稳定的纳米晶结构。它们各自的基础溶剂-溶质二元系中的分离。此外,不存在显著的溶质-溶质相互作用。这种体系在整个三元组成范围内都表现出很高的纳米晶稳定性。而在第二个体系Pt-AuPd中,只有一种溶质在其二元体系中偏析形成稳定的纳米晶结构,而第二种溶质则没有。

此外,稳定溶质可以通过增加第二溶质的有效偏析焓来诱导第二溶质的共偏析。这种三元体系表现出两个稳定区域。发现热力学稳定的纳米晶体结构,其中稳定的溶质占主导地位,并通过诱导其共偏析而在晶界中保留少量的第二溶质。在另一种情况下,纳米晶结构变得不稳定,因为去分离的溶质占主导地位并在晶界沉淀,因为解离溶质不能保留在晶界中,而解离溶质占优势并沉淀。由共分离的溶质-溶质相互作用诱导。这两种稳定机制的程度取决于共偏析相互作用的程度,即对于溶质之间具有更强共偏析趋势的系统,预期稳定的纳米晶体结构区域将跨越更宽的组成范围。

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图4. 400°C时Pt-AuAg系合金萃取量成分分布(at.%)的Gibbs三角形图

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图5. 基于初级晶粒尺寸的系统间热稳定性比较

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图6. 两种三元稳定性类型的示意图

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图7. 合金的SEM显微形貌(400℃退火)

利用本研究选择的组合方法,有效地揭示了合成空间中分隔这两个区域的边界线的确切位置。同时,尽管文章中主要是针对三元Pt-AuAg和Pt-AuPd合金,该方法有望在不同三元合金中高效得到运用。这项技术如果得以推广,将有利于获得超强的性能纳米晶合金。

来源:材料科学与工程公众号,作者:冯冯。

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