《Acta Materialia》：高熵合金的調(diào)幅分解和雙相分解研究
2023-02-21 17:33:40
作者： 材料科學(xué)與工程 來源： 材料科學(xué)與工程
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調(diào)幅分解是材料科學(xué)領(lǐng)域的重要相變問題，但大多數(shù)教課書及研究工作關(guān)注于二元合金的調(diào)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(guān)注。高熵合金具有相對(duì)簡單的相組成和多種優(yōu)異性能，如優(yōu)異的室溫和高/低溫力學(xué)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(yīng)用潛力。高熵合金的性能與其組織密切相關(guān)。前人研究表明許多高熵合金實(shí)際上并不具有穩(wěn)定的單相固溶體組織，而是傾向于通過第二相析出或調(diào)幅分解生成多相組織。目前對(duì)于高熵合金中第二相析出的研究較多，而對(duì)高熵合金調(diào)幅分解的研究較少，已有研究也是實(shí)驗(yàn)研究為主，機(jī)理性研究少有涉及。此外，目前對(duì)于高熵合金中為何實(shí)驗(yàn)上經(jīng)常觀察到雙相分解（調(diào)幅分解生成2相，而不是3相或者更多相）的原因和機(jī)制也不清楚。對(duì)該問題的研究和理解有助于認(rèn)識(shí)高熵合金的調(diào)幅分解等相變問題，以及實(shí)驗(yàn)觀察到的高熵合金中相的數(shù)量極少有接近吉布斯相律所允許的最大相數(shù)的問題。
日前，清華大學(xué)欒亨偉博士、姚可夫教授、邵洋副研究員與香港城市大學(xué)呂堅(jiān)教授、中國工程物理研究院李晉峰研究員、中國石油大學(xué)（華東）斯佳佳副教授等通過高通量計(jì)算分析，揭示了焓和熵以及合金組元數(shù)量對(duì)高熵合金調(diào)幅分解的影響規(guī)律，并發(fā)現(xiàn)熵在促進(jìn)高熵合金發(fā)生雙相分解中所起的關(guān)鍵作用。相關(guān)論文以題為“Spinodal decomposition and the pseudo-binary decomposition in high-entropy alloys”發(fā)表在《Acta Materialia》雜志上。https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.118775論文根據(jù)多組元合金是否發(fā)生調(diào)幅分解的判據(jù)，對(duì)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(nèi)是否可能發(fā)生調(diào)幅分解進(jìn)行了計(jì)算。結(jié)果表明隨著合金元素?cái)?shù)量的增加或溫度的下降，合金越來越傾向于發(fā)生調(diào)幅分解。通過對(duì)焓和熵的分析，論文研究發(fā)現(xiàn)隨著合金組元數(shù)量的增加，焓會(huì)近似地單調(diào)促進(jìn)調(diào)幅分解的發(fā)生，且該效果比熵的作用更強(qiáng)，指出了高熵合金中傳統(tǒng)的“高混合熵”理論的不足。圖 1. 三元合金的調(diào)幅分解和吉布斯自由能曲線示意圖。(a) 調(diào)幅分解前的均勻固溶體。(b) 調(diào)幅分解產(chǎn)生的富A區(qū)域（紅色背景）和富B區(qū)域（綠色背景）示意圖。(c)具有調(diào)幅分解的合金的吉布斯自由能。橙色箭頭和藍(lán)色箭頭表示初始固溶體的兩個(gè)可能的調(diào)幅分解方向。增加元素的數(shù)量可以增加調(diào)幅分解的可能方向的數(shù)量。沿不同方向的調(diào)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(fā)生調(diào)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(fā)生調(diào)幅分解的合金的比例隨著元素?cái)?shù)量增加和溫度降低而增加。s.d.：調(diào)幅分解。針對(duì)高熵合金中普遍發(fā)生雙相分解的原因，論文從發(fā)生調(diào)幅分解的驅(qū)動(dòng)力的角度進(jìn)行考慮，計(jì)算了具有第二大驅(qū)動(dòng)力的分解方向的驅(qū)動(dòng)力（λ2）與具有最大調(diào)幅分解驅(qū)動(dòng)力的方向的驅(qū)動(dòng)力（λ1）的比值（λ2/λ1）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)該比值普遍為負(fù)數(shù)，或介于0至0.5之間，表明高熵合金中或只有一個(gè)可能的調(diào)幅分解方向，或第二大調(diào)幅分解方向的驅(qū)動(dòng)力顯著小于最大方向的驅(qū)動(dòng)力，從而使得高熵合金傾向于僅沿著最大驅(qū)動(dòng)力方向發(fā)生調(diào)幅分解，從而導(dǎo)致大多數(shù)實(shí)驗(yàn)中僅能觀察到雙相分解現(xiàn)象。進(jìn)一步的分析表明，熵在雙相分解的發(fā)生中起到了關(guān)鍵促進(jìn)作用。在等原子比合金中，隨著合金元素?cái)?shù)量的增加，高混合熵會(huì)近似相等地減少所有分解方向的驅(qū)動(dòng)力。雖然該效應(yīng)不足以抗衡最大驅(qū)動(dòng)力方向，但是由于第二大方向的驅(qū)動(dòng)力較弱，因此熵對(duì)該方向的抑制作用相對(duì)較明顯，從而強(qiáng)化了沿著最大驅(qū)動(dòng)力方向的雙相分解過程。該高熵效應(yīng)也可能與其它分解過程導(dǎo)致的高熵合金中相的數(shù)量較小有關(guān)。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(dǎo)致僅具有最大驅(qū)動(dòng)力的金屬間化合物析出，從而使得高熵合金中相的數(shù)量較少。本文為進(jìn)一步理解和利用高熵合金的調(diào)幅分解，以及對(duì)于高熵合金中相的數(shù)量較少的原因提供了新的觀點(diǎn)。（文：欒亨偉）
圖 3. 不同溫度下可能發(fā)生調(diào)幅分解的等原子比合金的λ1 和 λ2 的平均值。越負(fù)表明驅(qū)動(dòng)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(fā)生調(diào)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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