金屬頂刊《Acta Materialia》氫氣“煉鋼”！氫氣竟能強(qiáng)化合金！新型高強(qiáng)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(jìn)展 來源：材料研究進(jìn)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(chǎn)生的二氧化碳排放方面的潛力而備受關(guān)注。然而，氫的廣泛應(yīng)用需要開發(fā)能夠在高溫下耐受富含氫環(huán)境的先進(jìn)金屬合金。難熔復(fù)雜濃合金（CCAs），尤其是TiNbZrHfTa家族，因其在高溫下優(yōu)異的力學(xué)性能和廣闊的設(shè)計(jì)空間，被認(rèn)為是潛在的候選材料. 例如，這類合金在1000°C時(shí)的屈服強(qiáng)度約為300 MPa. 在設(shè)計(jì)CCAs時(shí)，一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)在于如何穩(wěn)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(jīng)過熱處理后，通過第二相析出和有序相形成而導(dǎo)致的相分解現(xiàn)象也時(shí)有發(fā)生.氫在多種化學(xué)物質(zhì)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(jìn)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(jìn)了氫在材料中的擴(kuò)散和與宿主金屬原子的相互作用。此外，氫的中等電負(fù)性（2.2）使其能夠與金屬元素形成多種化學(xué)鍵（如離子鍵和共價(jià)鍵）。長期以來，氫被視為對結(jié)構(gòu)材料有害的元素，可能導(dǎo)致金屬構(gòu)件的災(zāi)難性失效，即氫脆現(xiàn)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(chǔ)存材料的基礎(chǔ)。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(yōu)化其成分和微觀結(jié)構(gòu)，使其適用于氫富集環(huán)境中的結(jié)構(gòu)材料或氫儲(chǔ)存材料至關(guān)重要.
2成果簡介
在這項(xiàng)研究中，研究人員揭示了在500°C下，TiNbZrHfTa等原子比復(fù)雜濃合金在暴露于H2時(shí)，納米尺度上發(fā)生的氫輔助斯賓納爾分解現(xiàn)象。該分解路徑通過三維原子探針斷層掃描技術(shù)探測到，表現(xiàn)為在H2氣氛中經(jīng)過長時(shí)間處理（從0.5小時(shí)到2小時(shí)）后，主要金屬元素的上坡擴(kuò)散行為和周期性成分調(diào)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(xué)角度來看，斯賓納爾特征優(yōu)先沿基體相的<001>方向排列，以最小化彈性應(yīng)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(jìn)一步開發(fā)了一個(gè)統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)模型，通過引入氫來預(yù)測TiNbZrHfTa-H系統(tǒng)的相穩(wěn)定性。分析表明，氫通過擴(kuò)展斯賓納爾區(qū)域來破壞單相固溶體的穩(wěn)定性。這種納米尺度的斯賓納爾分解增強(qiáng)了所研究合金的硬度和抗磨性能。因此，這項(xiàng)研究不僅為氫對相穩(wěn)定性的影響提供了基礎(chǔ)見解，還展示了一種通過引入氫作為間隙合金元素來調(diào)節(jié)微觀結(jié)構(gòu)的新型合金設(shè)計(jì)策略.
3圖文導(dǎo)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(guān)系圖來確定未處理和HT-Ar樣品的晶格參數(shù)。(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(qū)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(yīng)的 (b) 選區(qū)電子衍射圖，顯示單個(gè)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(biāo)記的青色圓柱體計(jì)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(shí)間為 (a) 0.5小時(shí)，(b) 1小時(shí)和 (c) 2小時(shí)，以及對應(yīng)的二維等高線圖。(d) 沿(a-c)中標(biāo)記的黃色圓柱體的Zr一維濃度分布圖，誤差條表示每個(gè)柱體計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)偏差。(e) 在H2下退火時(shí)間下斯賓納爾波長的演變.
4小結(jié)
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(fù)雜濃合金在500°C下的局部熱力學(xué)環(huán)境，促進(jìn)斯賓納爾分解。形成了一種周期性調(diào)制的化學(xué)模式，波長約為13 nm，由富含Ti和Zr的一個(gè)相和富含Nb和Ta的另一個(gè)相組成。針狀的斯賓納爾特征優(yōu)先沿<001>方向排列，以最小化系統(tǒng)的彈性應(yīng)變能。這種氫輔助的斯賓納爾分解通過氫改變系統(tǒng)的局部熱力學(xué)景觀而得到合理化，從而擴(kuò)展了斯賓納爾區(qū)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(tǒng)的硬度和耐磨性。因此，這項(xiàng)研究展示了一種通過從熱處理環(huán)境中引入氫作為獲得的合金元素來觸發(fā)斯賓納爾分解的新型策略，為設(shè)計(jì)亞穩(wěn)態(tài)合金和提高力學(xué)性能開辟了新的途徑.
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2024.120707
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