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金屬頂刊《Acta Materialia》：納米晶高熵合金晶界的非均勻元素偏析行為!

2021-09-10 11:14:30 作者：材料學網來源：材料學網分享至：

由于多主元特性，成分復雜合金中偏析行為通常要比傳統合金的偏析行為更為復雜。另外，納米晶材料相對于粗晶材料具有更高的含量的晶界，而晶界相對于晶內具有較高能量，因此納米晶具有比粗晶更高的系統能量。有研究表明，粗晶CoCuFeMnNi合金的在不同熱處理狀態下的偏析行為可用相圖熱力學方法加以解釋。然而，當晶粒細化到納米晶狀態時，高含量高能晶界對其相演化行為的影響規律和機理依然缺乏相關研究。而且，晶界可作為擴散或偏析的有利通道使其對相演化產生進一步的影響，晶粒細化效應與Cu難以與其他元素互溶的特性的耦合作用也依然不清楚。另外，在亞穩態納米晶體中表征這些行為需要一個高的空間和時間分辨率，這也是一項挑戰。因此，目前人們對納米晶的成分復雜合金（CCAs）中復雜的晶界偏析和相變行為依然缺乏深入的理解。

近日，德國卡爾斯魯厄理工學院Christian Kübel團隊采用原位加熱透射電鏡結合自動晶體定向映射（ACOM）和能量過濾透射電子顯微鏡（EFTEM）來系統研究了以高壓扭轉（HPT）制備的納米晶CoCuFeMnNi合金的復雜的相演化和晶界元素偏析行為。其晶界偏析和貧化導致了富Fe和Co元素B2結構的第二相的形成，并且與fcc基體呈K-S或N-W取向關系。隨后，Mn、Ni和Cu元素偏析于晶界而Fe和Co貧化。3D-APT分析表明，該合金的非均勻偏析發生在不同類型的晶界，而且富FeCo相中含有微量的Ni但對Cu排斥，導致單獨富Cu相的形成。這種復雜的偏析現象是由納米晶材料中的大量晶界和三叉晶界導致的。相關結果以“Grain boundary segregation inducedprecipitation in a non equiatomic nanocrystalline CoCuFeMnNi compositionallycomplex alloy”為題發表在Acta mater（https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117281）上。

通過系統而深入的研究，結論如下：1.熱處理過程中試樣的微觀組織演變為：1）250℃~300℃時Co、Ni、Cu向偏析于晶界，Fe和Mn在晶界貧化；2）340℃時，Fe和Co在三叉晶界偏析并形成B2相，Ni、Cu、Mn于隨機晶界處偏析并形成第二相直到到400°C2.Cu在生長過程中被B2沉淀排斥。3.加熱初期，B2隨著元素偏析在晶界處析出并抑制晶粒長大，析出物回溶于基體中后fcc晶粒又開始長大。3.幾乎所有的析出相都與基體呈K-S或N-W取向關系。

圖一。納米晶CoCuFeMnNi合金的晶粒取向和元素分布圖表明各元素分布均勻

圖二。納米晶CoCuFeMnNi合金在600°C熱處理后各元素的分布

圖三。納米晶CoCuFeMnNi合金在400°C熱處理后元素偏析分布

圖四。3D-APT表征納米晶CoCuFeMnNi合金中Fe、Co、Ni、Cu和Mn元的分布

圖五。納米晶CoCuFeMnNi合金在不同溫度熱處理后各元素的分布

圖六。納米晶CoCuFeMnNi合金在不同溫度熱處理后相含量演化行為

圖七。納米晶CoCuFeMnNi合金熱處理后的微觀組織演化示意圖

總之，該工作揭示了一種在納米晶高熵合金中出現的復雜的相演化和晶界的非均勻元素偏析行為，有助于人們對多組元成分復雜合金的組織穩定性的進一步理解。而且，由于晶界第二相對金屬材料力學性能有顯著的影響，而且多數情況下會導致材料的脆化，因此，該研究也有助于人們深入理解晶界偏析和相變行為，從而避免有害相的形成，為開發高性能高熵合金提供了一定的借鑒意義。

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