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  2. 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(xué)網(wǎng) 來(lái)源: 材料學(xué)網(wǎng) 分享至:

     由于多主元特性,成分復(fù)雜合金中偏析行為通常要比傳統(tǒng)合金的偏析行為更為復(fù)雜。另外,納米晶材料相對(duì)于粗晶材料具有更高的含量的晶界,而晶界相對(duì)于晶內(nèi)具有較高能量,因此納米晶具有比粗晶更高的系統(tǒng)能量。有研究表明,粗晶CoCuFeMnNi合金的在不同熱處理狀態(tài)下的偏析行為可用相圖熱力學(xué)方法加以解釋。然而,當(dāng)晶粒細(xì)化到納米晶狀態(tài)時(shí),高含量高能晶界對(duì)其相演化行為的影響規(guī)律和機(jī)理依然缺乏相關(guān)研究。而且,晶界可作為擴(kuò)散或偏析的有利通道使其對(duì)相演化產(chǎn)生進(jìn)一步的影響,晶粒細(xì)化效應(yīng)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(wěn)態(tài)納米晶體中表征這些行為需要一個(gè)高的空間和時(shí)間分辨率,這也是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。因此,目前人們對(duì)納米晶的成分復(fù)雜合金(CCAs)中復(fù)雜的晶界偏析和相變行為依然缺乏深入的理解。


    近日,德國(guó)卡爾斯魯厄理工學(xué)院Christian Kübel團(tuán)隊(duì)采用原位加熱透射電鏡結(jié)合自動(dòng)晶體定向映射(ACOM)和能量過(guò)濾透射電子顯微鏡(EFTEM)來(lái)系統(tǒng)研究了以高壓扭轉(zhuǎn)(HPT)制備的納米晶CoCuFeMnNi合金的復(fù)雜的相演化和晶界元素偏析行為。其晶界偏析和貧化導(dǎo)致了富Fe和Co元素B2結(jié)構(gòu)的第二相的形成,并且與fcc基體呈K-S或N-W取向關(guān)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(fā)生在不同類型的晶界,而且富FeCo相中含有微量的Ni但對(duì)Cu排斥,導(dǎo)致單獨(dú)富Cu相的形成。這種復(fù)雜的偏析現(xiàn)象是由納米晶材料中的大量晶界和三叉晶界導(dǎo)致的。相關(guān)結(jié)果以“Grain boundary segregation inducedprecipitation in a non equiatomic nanocrystalline CoCuFeMnNi compositionallycomplex alloy”為題發(fā)表在Acta mater(https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117281)上。


    通過(guò)系統(tǒng)而深入的研究,結(jié)論如下:1.熱處理過(guò)程中試樣的微觀組織演變?yōu)椋?)250℃~300℃時(shí)Co、Ni、Cu向偏析于晶界,F(xiàn)e和Mn在晶界貧化;2)340℃時(shí),F(xiàn)e和Co在三叉晶界偏析并形成B2相,Ni、Cu、Mn于隨機(jī)晶界處偏析并形成第二相直到到400°C2.Cu在生長(zhǎng)過(guò)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(zhǎng)大,析出物回溶于基體中后fcc晶粒又開始長(zhǎng)大。3.幾乎所有的析出相都與基體呈K-S或N-W取向關(guān)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(xiàn)的復(fù)雜的相演化和晶界的非均勻元素偏析行為,有助于人們對(duì)多組元成分復(fù)雜合金的組織穩(wěn)定性的進(jìn)一步理解。而且,由于晶界第二相對(duì)金屬材料力學(xué)性能有顯著的影響,而且多數(shù)情況下會(huì)導(dǎo)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(fā)高性能高熵合金提供了一定的借鑒意義。

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