《Intermetallics》發表論文首次揭示納米氧化物對高熵合金結構和性能的影響

2020-09-03 特鑄雜誌


高熵合金(HEAs)由於其優異的力學性能，如高硬度和強度、優異的耐腐蝕性、優異的抗疲勞性能和良好的熱穩定性等，近年來得到了廣泛的研究。CoCrFeNi是一種具有優良延展性的面心立方結構HEA，在實際應用中，研究人員嘗試通過各種方法來提高其強度。機械合金化(MA)能製備具有優良均勻性的納米結構材料，火花等離子燒結(SPS)比傳統的燒結方法需要更短的固結時間，能最大程度地保留納米晶，因此MA和SPS是製備具有優異強度和熱穩定性的納米晶CoCrFeNi HEA的有效途徑。另外，氧化物彌散強化(ODS)是提高材料力學性能的一種有效方法，在HEAs中得到了廣泛的應用。如今，在報導過的ODS-HEAs中，氧化物顆粒的尺寸通常大於10納米，而實際上具有細化粒度的分散氧化物顆粒對改善ODS材料的力學性能更為有效，這卻鮮少有報導研究。

基於以上背景，北科大常永勤課題組提供了一種將氧化粒子引入CoCrFeNi HEA的有效方法，並於《Intermetallics》期刊上發表了一篇題為「Microstructures and Mechanical Properties of Oxide Dispersion Strengthened CoCrFeNi High-Entropy Alloy Produced by Mechanical Alloying and Spark Plasma Sintering」的論文，採用MA和SPS製備了CCFN和ODS-CoCrFeNi HEAs，並對其微觀結構和性能進行了詳細研究。


論文連結：https://doi.org/10.1016/j.intermet.2020.106819

對合金微觀組織的觀察結果發現，HEAs是由少量Cr7C3和Cr2O3相的FCC基體組成，其主要形成於SPS過程中，並且少量MnCr2O4相僅存在於CCFN HEA中。


在ODS-CCFN HEA中，平均直徑為6.9×4.2 nm的高密度Y2Hf2O7顆粒均勻分布於基質和Cr7C3顆粒中。晶格錯配計算表明，這些Y2Hf2O7粒子與基體保持相干取向關係，與Cr7C3粒子保持半相干取向關係。所有相的平均尺寸，包括晶粒、Cr7C3和Cr2O3，在ODS-CCFN中得到了高度細化。由於相界面的界面能較低，基體中的Y2Hf2O7粒子比Cr7C3中的更加穩定。

與CCFN HEA相比，在ODS-CCFN HEA中，NPs可以通過固定晶界和位錯的移動來有效地抑制晶粒的生長，同時由於NPs的引入，晶粒、Cr7C3和Cr2O3均得到了細化。由於Cr7C3中Y2Hf2O7的存在，Cr7C3的精煉效果比Cr2O3更明顯。

力學實驗結果表明，由於加入了Y2Hf2O7粒子，使得ODS-CCFN的硬度大大高於CCFN。HEAs的嚴重晶格畸變會引起強烈的電子散射，降低自由電子的遷移率，HEAs的電阻率高於304SS。

ODS-CCFN HEA的屈服強度由原來的978 MPa提高到1.25 GPa，比CCFN HEA高28%，而延伸率從2.6%合理下降到1.9%。強化機理分析表明，ODS-CCFN HEA強度的提高主要是由於Y2Hf2O7和精細化晶粒、Cr7C3和Cr2O3顆粒的析出強化。另外，斷口表面觀察到許多不同直徑的韌窩，說明兩種合金均表現出脆性和韌性混合斷裂模式，但是ODS-CCFN HEA中只觀察到較大的韌窩，大部分區域出現脆性斷裂，這說明由於氧化物的引入，ODS-CCFN HEA的延展性降低。

與CCFN HEA相比，ODS-CCFN HEA的電阻率低於CCFN，說明引入Y2Hf2O7粒子降低了ODS-CCFN HEA的電阻率，其原因可能是ODS-CCFN HEA中Y2Hf2O7與基體之間存在更多的晶界和高密度界面，高密度相的Y2Hf2O7粒子降低了基體的點陣畸變，使電阻率降低。



ODS-CCFN HEA在H2SO4溶液和NaCl溶液中的耐蝕性都得到了很大的提高，這是由於Hf和Y2O3的加入大大降低了其鈍化電流密度，使得鈍化行為更容易發生，鈍化膜迅速形成。

綜上所述，文中考察了納米氧化物的引入對其拉伸性能、電阻率、耐腐蝕性能的影響，並對其增強機理進行了進一步的探討。通過研究氧化物顆粒的加入對合金組織和性能的影響，提出了一種切實可行的提高合金性能的方法，使其在實際應用中更具前景。

相關焦點

  • 《Intermetallics》:低密度鈦鋁合金最新發現助力先進航空發動機的生產
    導讀：採用SPS（放電等離子燒結法）通過添加不同含量Si製備了兩種TiSi金屬間化合物，並對其進行了納米壓痕、韌性和耐磨性測試，通過TEM表徵了兩種合金的顯微組織差異，並提出了強化模型，其與由納米壓痕硬度獲得的合金應力非常吻合。隨著Si含量的增加，TiAl相逐漸形成層狀結構和片間孿晶。
  • 高熵合金的納米力學與納米結構的高熵合金:閒聊那些年寫過的文章
    這段時間主要寫寫基金申請和學生一起改改論文。報著對過去數據負責的原則，把當年的一些高熵合金的結果總結了一下，最近有三篇文章上線。也想藉此分享一下當年讀博士的時候做這個課題的一點兒經歷和感悟。 話說高熵合金，應該算是現在金屬領域最熱門的一個方向之一。基本上做金屬材料的人都聽過這個概念，甚至不是做金屬材料也都聽過。
  • 西安交大研究人員揭示體心立方結構高熵合金的特殊位錯動力學機制
    體心立方結構（BCC）金屬及合金作為一類重要的結構材料，自鐵器時代以來就被人類廣泛使用。金屬材料的強度和塑性與內部缺陷位錯的運動密切相關，研究位錯的動力學行為對於揭示材料變形的微觀機制、優化力學性能極為重要。
  • 成功製備高強高熱穩定性納米高熵合金
    導讀：本工作首次用雷射蒸發惰性氣體冷凝法製備了平均晶粒尺寸為25 nm 的CoCrFeNiMn納米高熵合金。與SPD製備的納米高熵合金不同，該方法製備的納米高熵合金具有超高的硬度和極佳的熱穩定性。在600 ℃退火1小時後，硬度從484 HV前所未有地增加到791 HV。更令人興奮的是，即使在1100 ℃的高溫退火後，仍能保持原始的高硬度。
  • 北科大呂昭平團隊:高熵合金最新展望,短程序及其對力學性能影響
    然而，越來越多的研究結果表明，由於多組元元素間的複雜相互作用，使得合金在凝固或者熱處理後，呈現局部短程有序結構。由於高熵合金多組元的特徵，其短程序結構的形成，結構特點以及對性能影響，也有別與傳統合金。短程序的多組元，也給其結構表徵帶來了極大的挑戰。然而，合理調控高熵合金中的短程序，可有利於開發綜合應能優異的高熵合金。
  • 新方法大幅提高納米晶高熵合金硬度
    導讀：本文為高性能納米晶高熵合金（nc-HEA）的製備提供了一種新的技術，具有廣闊的應用前景。在600℃退火1h後，合金硬度從484 HV增加到791 HV。並且在1100 ℃退火後，原始的高硬度仍保持不變，表明nc-HEA具有優異的熱穩定性。讀：本文為高性能納米晶高熵合金（nc-HEA）的製備提供了一種新的技術，具有廣闊的應用前景。在600℃退火1h後，合金硬度從484 HV增加到791 HV。並且在1100 ℃退火後，原始的高硬度仍保持不變，表明nc-HEA具有優異的熱穩定性。
  • 高熵合金納米顆粒的最新研究成果
    多元金屬納米顆粒在催化、儲能、和影像等諸多領域具有廣泛的應用前景，但傳統溼法合成很難得到三元以上的金屬納米顆粒。熔煉法可以得到五元以上機械性能優異的塊體高熵合金，但卻非常難以納米化。胡良兵及其合作者發展了全新的兩步碳熱衝擊法(carbonthermal shock, CTS)，可以得到八元高熵合金納米顆粒，且具備優異的催化性能，在很大程度上解決了這一問題。
  • 一種改善中高熵合金性能的新途徑
    近日，來自兩岸三地的研究人員設計了一種Co-Cr-Ni基中熵合金，通過引入非均析出相獲得了超高強度和均勻延展性組合（點此查看）。今天發表的Nature在中熵合金領域再次突破，通過實驗直接觀察到了短程有序結構，這種獨特的結構可以起到很好的強化效果，提高合金的層錯能和硬度。
  • 一種新方法製備超強納米結構高熵合金
    導讀：本研究通過磁控濺射法成功製造了一種等原子高熵合金，平均晶粒尺寸達到7.2nm，可達到13.76GPa的超高硬度。本文展示的一種製造超納米結構HEAs的新方法，在高熵合金中形成了超納米雙相玻璃晶體結構，突破了現有等原子高熵合金的最高硬度。
  • 高熵合金納米顆粒，高溫下如何氧化？
    本文來自微信公眾號：X-MOLNews雖然高熵合金在高溫、防腐蝕、催化等領域已經展示出優異的應用潛力，目前對於高熵合金納米顆粒在複雜應用環境下的穩定性和抗氧化性表現仍然知之甚少。例如，高熵合金納米顆粒是否能在氧化氣氛中保持足夠穩定？是否會比單質金屬或二元合金有更好的抗氧化性？
  • 納米結構高熵合金,實現2000%的史上最大伸長率!
    但是，高應變率超塑性（HSRS）在高強度材料中極為罕見，尤其是在最近出現的一類高強度材料，即高熵合金（HEA）中，缺乏超塑性成形能力，嚴重阻礙了HEA在複雜工程結構的潛在應用。因此，在HEA中實現HSRS將標誌著先進材料科學的巨大突破（a huge breakthrough）。
  • 中美聯合研究晶格畸變和化學短程序對中熵合金變形機制的影響
    作為一類新型的金屬晶體材料，多主元合金（MPEAs）也被稱為三元系的中熵合金（MEA）和四元、五元或三元系的高熵合金（HEAs），一直受到結構金屬研究界的廣泛關注。含有CoCrNi基FCC成分的MPEA憑藉高強度、高延性、高斷裂韌性、抗衝擊和抗輻射性能，已經成為MPEA增強結構性能研究中的典型。而對微觀和納米尺度機制的研究已經將MPEA的卓越性能與多種機制聯繫在一起。
  • 北科大呂昭平團隊：調控短程有序化提升高熵合金力學性能
    導讀：本文簡要總結了短程有序（SROs）的形成、表徵及其對高熵合金（HEAs）變形行為影響。結果表明，SROs的存在是HEAs的一個普遍而關鍵的結構特徵，調整SROs的程度是優化HEAs力學性能的有效途徑。
  • 高熵合金領域高被引的11篇文章,給過你那些啟示?
    （多主元合金）在論文中第一次被提出後，關於高熵合金的文章如雨後春筍層出不窮。此外，初始的單相合金可能是合成複雜納米複合材料結構的實用基礎。通過選擇合適的退火時間和溫度來優化強度和延性之間的權衡，可以調整各個相的體積分數。一種等原子單相TiZrNbHfTa高熵合金經高壓扭轉處理，晶粒尺寸小於100nm。在材料中引入納米晶體微觀結構有助於加速材料的相分解，因為這種材料具有大量快速擴散路徑和晶界形核位置。為了測試納米晶高熵合金材料的熱力學穩定性。
  • 金屬頂刊：晶格畸變和化學短程序對中熵合金變形機理的影響
    隨著對中、高熵合金研究的開展，它們的優異力學性能在逐步被揭示，與之相關的材料局部原子化學環境和複雜的化學漲落所起作用也受到越來越多的關注。儘管已有充分的實驗研究和模擬計算結果表明晶格畸變（lattice distortion）和化學短程有序（chemical short-range order）確實存在於中、高熵合金當中且對材料性能有重要影響，兩者在材料變形的不同階段各自產生的作用仍缺乏系統的研究和解釋。
  • 《Acta Mater》晶格畸變和化學短程序對中熵合金變形機理的影響
    隨著對中、高熵合金研究的開展，它們的優異力學性能在逐步被揭示，與之相關的材料局部原子化學環境和複雜的化學漲落所起作用也受到越來越多的關注。儘管已有充分的實驗研究和模擬計算結果表明晶格畸變（lattice distortion）和化學短程有序（chemical short-range order）確實存在於中、高熵合金當中且對材料性能有重要影響，兩者在材料變形的不同階段各自產生的作用仍缺乏系統的研究和解釋。 近日，美國加州大學聖芭芭拉分校Irene J.
  • npj: 相穩定性預測—看看熵的臉色
    海歸學者發起的公益學術平臺分享信息，整合資源交流學術，偶爾風月高熵合金含有多種元素而且比例很大，容易導致相分離，通常具有淺混合焓和相似級別的熵。就各種熵來說，電子熵與振動熵和位形熵相比，貢獻很小，對任何合金的相穩定性沒有顯著貢獻；位形熵能夠穩定固溶體；振動熵卻在不同合金系統中表現出不同作用，或促進或破壞固溶體的穩定性。振動熵是衡量原子鍵柔軟度的指標，研究它在不同體系中的變化方式，可能有助於我們更好地預測單相多組分合金的穩定性。據此他們認為，與有序金屬間化合物不同，高熵合金的穩定性需要綜合考慮各種熵的貢獻。
  • 高熵合金:性能的預測
    該研究用原子尺度的模擬闡明了高熵合金中的臨界強化機制，並預測了性能更好的合金元素比例。
  • 五元高熵合金納米粒子的自催化形成過程
    高熵合金(HEA)納米顆粒有望成為可調諧的催化劑，令人驚訝的是，Pt-Ir-Pd-Rh-Ru納米顆粒可以在溫和的低溫溶劑熱條件下合成。相關論文以題為「Auto‐catalytic formation of high entropy alloy nanoparticles」發表在Angewandte Chemie International Edition 上。
  • 「高熵合金」越是低溫越堅韌
    一種名為「高熵合金」的新概念合金設計，已經帶來了一類多元素材料。最近，美國能源部勞倫斯·伯克利國家實驗室與橡樹嶺國家實驗室（ORNL）合作開發出一種叫做鉻錳鐵鈷鎳（CrMnFeCoNi）的高熵合金，經檢測它不僅是現有記錄的最硬材料之一，而且在低溫下強度、延展性反而提高。相關論文發表在最近出版的《科學》雜誌上。