《Acta Materialia》:高熵合金的調幅分解和雙相分解研究
2023-02-21 17:33:40
作者: 材料科學與工程 來源: 材料科學與工程
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調幅分解是材料科學領域的重要相變問題,但大多數教課書及研究工作關注于二元合金的調幅分解問題。近年,由五種或更多元素以等原子比或者接近等原子比組成的多元合金——高熵合金的問世引起了研究人員的高度關注。高熵合金具有相對簡單的相組成和多種優異性能,如優異的室溫和高/低溫力學性能、抗輻照性能、耐腐蝕性能和催化性能等,使其具有極大的應用潛力。高熵合金的性能與其組織密切相關。前人研究表明許多高熵合金實際上并不具有穩定的單相固溶體組織,而是傾向于通過第二相析出或調幅分解生成多相組織。目前對于高熵合金中第二相析出的研究較多,而對高熵合金調幅分解的研究較少,已有研究也是實驗研究為主,機理性研究少有涉及。此外,目前對于高熵合金中為何實驗上經常觀察到雙相分解(調幅分解生成2相,而不是3相或者更多相)的原因和機制也不清楚。對該問題的研究和理解有助于認識高熵合金的調幅分解等相變問題,以及實驗觀察到的高熵合金中相的數量極少有接近吉布斯相律所允許的最大相數的問題。
日前,清華大學欒亨偉博士、姚可夫教授、邵洋副研究員與香港城市大學呂堅教授、中國工程物理研究院李晉峰研究員、中國石油大學(華東)斯佳佳副教授等通過高通量計算分析,揭示了焓和熵以及合金組元數量對高熵合金調幅分解的影響規律,并發現熵在促進高熵合金發生雙相分解中所起的關鍵作用。相關論文以題為“Spinodal decomposition and the pseudo-binary decomposition in high-entropy alloys”發表在《Acta Materialia》雜志上。https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.118775論文根據多組元合金是否發生調幅分解的判據,對由2~8種常見金屬元素組成的等原子比合金在從300 K至1500 K溫度范圍內是否可能發生調幅分解進行了計算。結果表明隨著合金元素數量的增加或溫度的下降,合金越來越傾向于發生調幅分解。通過對焓和熵的分析,論文研究發現隨著合金組元數量的增加,焓會近似地單調促進調幅分解的發生,且該效果比熵的作用更強,指出了高熵合金中傳統的“高混合熵”理論的不足。圖 1. 三元合金的調幅分解和吉布斯自由能曲線示意圖。(a) 調幅分解前的均勻固溶體。(b) 調幅分解產生的富A區域(紅色背景)和富B區域(綠色背景)示意圖。(c)具有調幅分解的合金的吉布斯自由能。橙色箭頭和藍色箭頭表示初始固溶體的兩個可能的調幅分解方向。增加元素的數量可以增加調幅分解的可能方向的數量。沿不同方向的調幅分解可以以不同的速率降低吉布斯自由能。圖 2. 在不同溫度下可能發生調幅分解的等原子合金的比例。(a) 300 K. (b) 500 K. (c) 1000 K. (d) 1500 K. 可能發生調幅分解的合金的比例隨著元素數量增加和溫度降低而增加。s.d.:調幅分解。針對高熵合金中普遍發生雙相分解的原因,論文從發生調幅分解的驅動力的角度進行考慮,計算了具有第二大驅動力的分解方向的驅動力(λ2)與具有最大調幅分解驅動力的方向的驅動力(λ1)的比值(λ2/λ1)。結果發現該比值普遍為負數,或介于0至0.5之間,表明高熵合金中或只有一個可能的調幅分解方向,或第二大調幅分解方向的驅動力顯著小于最大方向的驅動力,從而使得高熵合金傾向于僅沿著最大驅動力方向發生調幅分解,從而導致大多數實驗中僅能觀察到雙相分解現象。進一步的分析表明,熵在雙相分解的發生中起到了關鍵促進作用。在等原子比合金中,隨著合金元素數量的增加,高混合熵會近似相等地減少所有分解方向的驅動力。雖然該效應不足以抗衡最大驅動力方向,但是由于第二大方向的驅動力較弱,因此熵對該方向的抑制作用相對較明顯,從而強化了沿著最大驅動力方向的雙相分解過程。該高熵效應也可能與其它分解過程導致的高熵合金中相的數量較小有關。例如,如果有多種金屬間化合物可能從固溶體中析出,由于熵的作用,可能導致僅具有最大驅動力的金屬間化合物析出,從而使得高熵合金中相的數量較少。本文為進一步理解和利用高熵合金的調幅分解,以及對于高熵合金中相的數量較少的原因提供了新的觀點。(文:欒亨偉)

圖 3. 不同溫度下可能發生調幅分解的等原子比合金的λ1 和 λ2 的平均值。越負表明驅動力越大。(a) 300 K. (b) 500 K. (c) 1000 K. (d) 1500 K.圖 4. 不同溫度下可能發生調幅分解的等原子比合金的λ2/λ1 分布。 (a) 300 K. (b) 500 K. (c) 1000 K. (d) 1500 K.
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