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《Acta Materialia》L12型多組分金屬間化合物元素分布與變形機(jī)制

2022-01-27 13:16:37 作者：材料科學(xué)與工程來(lái)源：材料科學(xué)與工程分享至：

高熵合金（HEAs）的開(kāi)發(fā)極大地激發(fā)了合金設(shè)計(jì)策略。通過(guò)將多個(gè)主元素合并到簡(jiǎn)單固溶體中，導(dǎo)致HEAs在原子水平上呈現(xiàn)無(wú)序狀態(tài)。研究發(fā)現(xiàn)，HEAs的大部分特殊性質(zhì)與其無(wú)序的化學(xué)結(jié)構(gòu)有關(guān)，包括HEAs在內(nèi)的無(wú)序合金在高溫下的強(qiáng)度通常較低，這極大地限制了其應(yīng)用。另一方面，L12型有序金屬間化合物具有較高強(qiáng)度，通常用作常規(guī)高溫合金的強(qiáng)化成分。L12強(qiáng)化高溫合金在高溫（750℃以上）下表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)和化學(xué)性能，已廣泛應(yīng)用于燃?xì)廨啓C(jī)、超臨界電廠和柴油機(jī)中。結(jié)合HEAs和L12有序金屬間化合物的優(yōu)點(diǎn)，L12沉淀強(qiáng)化HEAs已經(jīng)被開(kāi)發(fā)出來(lái)，并表現(xiàn)出了優(yōu)異的強(qiáng)度-延性協(xié)同效應(yīng)，使其成為各種應(yīng)用中有前途的結(jié)構(gòu)材料。在L12強(qiáng)化的HEAs中，強(qiáng)化效果強(qiáng)烈依賴(lài)于相組成和析出相的變形行為。由于HEA基體的成分復(fù)雜，引入的L12析出相也表現(xiàn)出成分變化。L12金屬間析出相的析出機(jī)制和變形機(jī)理還不清晰，限制了L12沉淀強(qiáng)化HEAs的進(jìn)一步發(fā)展。

香港城市大學(xué)的研究人員探討了L12型多組分金屬間化合物（MCIs）的位置偏好和變形機(jī)理。相關(guān)論文以題為“Elemental partitions and deformation mechanisms of L12-type multicomponent intermetallics”發(fā)表在Acta Materialia。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117238

本文選擇（Ni,Co,Fe）3（Al,Ti,Fe）合金作為模型系統(tǒng)。對(duì)于這樣一個(gè)具有部分無(wú)序結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，關(guān)鍵是闡明每個(gè)合金元素在強(qiáng)化和變形機(jī)制中的作用。因此還分析了從（Ni,Co,Fe）3（Al,Ti,Fe）衍生出來(lái)的六種化合物，包括（Ni,Co）3Al、（Ni,Fe）3Al-Fe13、（Ni,Fe）3Al-Fe7、Ni3（Al,Ti）、Ni3（Al,Fe）-Fe13、Ni3（Al,Fe）-Fe7。

研究發(fā)現(xiàn)Ti傾向于占據(jù)Al亞晶格，而Co和Fe原子主要分布在Ni亞晶格中。根據(jù)已建立的元素分配趨勢(shì)，構(gòu)造特殊的準(zhǔn)隨機(jī)結(jié)構(gòu)。通過(guò)DFT計(jì)算研究這些MCIs的變形機(jī)理，得到了一般平面層錯(cuò)能，包括γSPF和γUPF。幾何結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)分析表明，TiAl在提高平面斷層能中起著重要作用，因?yàn)門(mén)iAl會(huì)降低MCI對(duì)平面斷層的適應(yīng)性。相反，Co、Ni通過(guò)提高適應(yīng)性降低了MCIs的γSPF。FeNi和FeAl對(duì)平面斷層的適應(yīng)能力有一定的改變，對(duì)γSPF變化影響不大。

圖1 完美L12有序Ni3Al（原始）、反相邊界（APB）、復(fù)雜層錯(cuò)（CSF）和超晶格內(nèi)稟層錯(cuò)（SISF）的結(jié)構(gòu)模型

圖2（a-e）相對(duì)能量、（f-j） 1NN和（k-o） 2NN SRO參數(shù)隨DFT-MC步長(zhǎng)增加的變化

圖3 （a） Ni3Al中APB、CSF和SISF的穩(wěn)定和不穩(wěn)定平面層錯(cuò)能（γSF和γUPF）。（b） APB、CSF和SISF一般平面斷層的原子軌跡

圖4考慮MCIs的APB、CSF和SISF能量（γSPF，上排）及其平均值（下排）的分布

圖5 斷裂帶不同成分濃度γSPF變化趨勢(shì)

本文基于第一性原理計(jì)算，研究了多組分HEAs中重要強(qiáng)化組分（Ni,Co,Fe）3（Al,Ti,Fe）多組分金屬間化合物的元素分配和變形機(jī)理。為了闡明每個(gè)合金元素的作用，分析了（Ni,Co,Fe）3（Al,Ti,Fe）及其派生的六個(gè)L12子系統(tǒng)。DFT-MC模擬結(jié)果表明，APB和CSF層引入的幾何結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)變化局限于斷層附近。SISF的形成減輕了整體結(jié)構(gòu)的幾何結(jié)構(gòu)和電荷密度重新分布的程度。本文通過(guò)確定不同元素和不同金屬間化合物對(duì)MCIs局部幾何結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)的影響，明確MCIs變形行為的基本理解，為合理設(shè)計(jì)有序析出強(qiáng)化HEAs鋪平了道路。（文：破風(fēng)）

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