金屬頂刊《Acta Materialia》氫氣“煉鋼”！氫氣竟能強化合金！新型高強耐磨合金誕生！合金硬度耐磨性雙雙提升！
2025-01-07 11:52:05
作者：材料研究進展 來源：材料研究進展
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1研究背景
氫作為一種綠色能源載體，因其在減少化石燃料使用過程中產生的二氧化碳排放方面的潛力而備受關注。然而，氫的廣泛應用需要開發能夠在高溫下耐受富含氫環境的先進金屬合金。難熔復雜濃合金（CCAs），尤其是TiNbZrHfTa家族，因其在高溫下優異的力學性能和廣闊的設計空間，被認為是潛在的候選材料. 例如，這類合金在1000°C時的屈服強度約為300 MPa. 在設計CCAs時，一個關鍵挑戰在于如何穩定單相固溶體，這通常依賴于最大化配置熵. 然而，在一些難熔CCAs中，經過熱處理后，通過第二相析出和有序相形成而導致的相分解現象也時有發生.氫在多種化學物質中存在，如H2、NH3和烴類等。氫原子的尺寸非常小，其玻爾半徑僅為0.529 Å，這使得氫能夠輕易地進入金屬晶格，尤其是對于像難熔CCAs這樣的體心立方（BCC）金屬，其堆積密度僅為68%。這一特性促進了氫在材料中的擴散和與宿主金屬原子的相互作用。此外，氫的中等電負性（2.2）使其能夠與金屬元素形成多種化學鍵（如離子鍵和共價鍵）。長期以來，氫被視為對結構材料有害的元素，可能導致金屬構件的災難性失效，即氫脆現象。另一方面，氫與多種堿金屬（如Li、Na、K）、堿土金屬（如Mg）和難熔金屬（如Ti、Zr、Hf）形成金屬氫化物，通過可逆的相變過程，這是氫儲存材料的基礎。因此，深入了解氫與難熔CCAs中組成金屬元素之間的相互作用對于優化其成分和微觀結構，使其適用于氫富集環境中的結構材料或氫儲存材料至關重要.
2成果簡介
在這項研究中，研究人員揭示了在500°C下，TiNbZrHfTa等原子比復雜濃合金在暴露于H2時，納米尺度上發生的氫輔助斯賓納爾分解現象。該分解路徑通過三維原子探針斷層掃描技術探測到，表現為在H2氣氛中經過長時間處理（從0.5小時到2小時）后，主要金屬元素的上坡擴散行為和周期性成分調制。分解后的合金由富含Zr和Ti的針狀相和富含Nb和Ta的相組成。從晶體學角度來看，斯賓納爾特征優先沿基體相的<001>方向排列，以最小化彈性應變能。為了更好地理解氫在斯賓納爾分解中的作用，研究人員進一步開發了一個統計熱力學模型，通過引入氫來預測TiNbZrHfTa-H系統的相穩定性。分析表明，氫通過擴展斯賓納爾區域來破壞單相固溶體的穩定性。這種納米尺度的斯賓納爾分解增強了所研究合金的硬度和抗磨性能。因此，這項研究不僅為氫對相穩定性的影響提供了基礎見解，還展示了一種通過引入氫作為間隙合金元素來調節微觀結構的新型合金設計策略.
3圖文導讀
圖1：(a) 未處理、HT-Ar和HT-H2樣品的高能X射線衍射（HEXRD）圖譜和 (b) BCC211峰的放大視圖。(c) 通過HEXRD峰的(sinθ)²與(h²+k²+l²)的關系圖來確定未處理和HT-Ar樣品的晶格參數。(d) HT-H2樣品BCC211峰的去卷積放大圖像.圖2：(a, d) 未處理，(b, e) HT-Ar和 (c, f) HT-H2樣品的背散射電子（BSE）圖像及其代表性放大圖像。(f)中的插圖顯示了具有暗（黑色）和亮（紅色）對比度的區域的寬度分布.圖3：(a) 典型的明場透射電子顯微鏡（TEM）圖像，以及對應的 (b) 選區電子衍射圖，顯示單個BCC相。電子束沿[001]晶帶軸。(c) 原子探針斷層掃描（APT）三維重建圖，顯示Ti分布、Zr分布和疊加的Ti和Zr分布。(d, e) APT圖顯示基體中的Ta富集納米特征。使用含22 at.% Ta的等濃度面突出顯示Ta富集納米特征。(f) 沿(e)中標記的青色圓柱體計算的一維濃度分布圖，柱體的binning大小為0.5 nm.圖4：(a) 未處理樣品和 (b) HT-Ar樣品中Ti和Zr分布的三維APT圖。(c) 未處理樣品和 (d) HT-Ar樣品中主要元素沿黃色圓柱體的濃度分布圖。(e) 未處理，(f) HT-Ar和 (g) HT-H2樣品中Ti原子的第五近鄰分布（NND）.圖5：在H2中處理的樣品的APT重建的Zr等濃度面，處理時間為 (a) 0.5小時，(b) 1小時和 (c) 2小時，以及對應的二維等高線圖。(d) 沿(a-c)中標記的黃色圓柱體的Zr一維濃度分布圖，誤差條表示每個柱體計數統計的標準偏差。(e) 在H2下退火時間下斯賓納爾波長的演變.
4小結
研究表明，氫可以作為一種有效的工具來改變TiNbZrHfTa等原子比復雜濃合金在500°C下的局部熱力學環境，促進斯賓納爾分解。形成了一種周期性調制的化學模式，波長約為13 nm，由富含Ti和Zr的一個相和富含Nb和Ta的另一個相組成。針狀的斯賓納爾特征優先沿<001>方向排列，以最小化系統的彈性應變能。這種氫輔助的斯賓納爾分解通過氫改變系統的局部熱力學景觀而得到合理化，從而擴展了斯賓納爾區域。此外，研究人員還展示了這種氫輔助的斯賓納爾分解可以提高合金系統的硬度和耐磨性。因此，這項研究展示了一種通過從熱處理環境中引入氫作為獲得的合金元素來觸發斯賓納爾分解的新型策略，為設計亞穩態合金和提高力學性能開辟了新的途徑.
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2024.120707
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