Science重大發現！解密難熔高熵合金異常高溫強度根源

2020-10-06 材料學網materials

導讀：難熔多主元合金(MPEAs)是一種非常有前途的材料，可以滿足惡劣條件結構應用的要求，但在這些合金的體心立方(bcc)變體中，需要不同的途徑來適應塑性變形。本文在Bcc MPEA MoNbTi合金中實現了均勻塑性變形能力和強度的理想結合，這是由位錯必須通過崎嶇的原子環境實現的。本文對位錯運動的觀察和原子計算揭示了非螺旋位錯以及眾多位錯滑移面的出乎意料的優勢。這種行為為解釋類似合金的異常高溫強度的理論提供了依據。該研究結果為合金設計策略提供了一個缺陷感知視角，使材料能夠在不同的溫度譜中表現優異。


幾個世紀以來材料一直利用單一主元素和加入合金化元素以達到優異性能。過去的十年見證了合金設計策略的轉變，開始聚焦於多組分合金，這類被稱為多主元合金(MPEAs)、複雜成分合金或高熵合金。由於許多技術應用，特別是在航空航天和發電部門，難熔合金是極高溫下使用的很有吸引力的候選材料。然而，這類材料的合金開發進展緩慢。


由於對具有穩定微觀結構和溫度不敏感特性的材料的迫切需求，一組體心立方(bcc)難熔MPEAs的發展開始被激發。這些合金組成了難熔金屬元素的近乎等原子的混合物。特別是在高溫下顯示出的高強度非常吸引人，因為它們在某些情況下超過了最先進的鎳基高溫合金，鎳基高溫合金在1200攝氏度以上的溫度下往往會失去強度。


在高溫下保持強度能夠提高工作溫度，提高能源、航空航天和核應用的效率。具有Bcc晶體結構的合金，包括鋼，隨處可見。因為他們的經濟規模使得這些合金是大量結構和技術的基礎。然而，傳統的bcc合金力學性能嚴重依賴於溫度，隨著溫度的降低，通常表現為韌脆轉變。這種行為的起源與螺旋位錯的緩慢運動有關。


基於此，美國加利福尼亞大學Daniel S. Gianola教授團隊首次清楚地且出乎意料地證明(i)在0.12 T的低溫度下，難熔MPEA中有大量非螺杆節段存在滑動錯位；(ii)高階滑移面在bcc MPEA中的重要性(iii) 隨機合金中防滑性的概率描述。這些結果構成了解釋該材料在較高溫度下具有高強度和均勻塑性的力學基礎，有助於理解其強度的弱溫度依賴性。這三種特性都適用於將材料暴露在極端溫度下的應用場合，而在傳統的再生金屬或合金中無法同時達到。與所謂的「螺旋」位錯不同，變形通過包括「邊緣」位錯和晶體滑移面的激活在內的多種途徑來適應。這些結果為開發新型高強度合金提供了設計範例。相關論文以題「Multiplicity of dislocation pathways in a refractory multiprincipal element alloy」於北京時間2020年10月2號發表在Science上

論文連結：DOI: 10.1126/science.aba3722

螺旋位錯是線狀晶體缺陷，由於位錯核心的原子鍵合的性質以及間隙元素脆性，例如C. O 和N在升高的溫度使螺旋位錯發生活動，使形狀發生非災難性的變化。與許多Bcc純金屬和稀釋合金相比，一些bcc難熔MPEAs，如MoNbTaW和MoNbTavw，強度隨溫度升高而逐漸下降，甚至在6000 ~ 10000℃的中間溫度範圍內出現強度平穩期(圖1)。


單相bcc MPEAS的高強度主要與(i)濃度組成的溶質強化和(ii)局部化學波動引起的核結構沿螺位錯的變化有關。這兩種現象都表明，螺旋位錯上的熱激活扭結形核並不一定是位錯運動的速率限制步驟，就像簡單的bcc金屬那樣，導致了強度的微弱溫度依賴性的預測。


在MPEAs中螺旋位錯的主導地位似乎與理論預測的位錯不相稱，如在一個彎曲的螺釘位錯上預先存在扭結和非螺釘位錯的延遲運動。這兩個預測將使位錯線與純螺旋方向有明顯的偏差。總的來說，目前的實驗結果表明經典的bcc位錯機制是可行的(圖1C)，在MPEAs中只進行了細微的增強。這將是一個意外的發現。

圖1 等原子的MoNЬ鈦合金屈服應力對溫度的依賴關係。(A)有代表性的難熔MPEAs是經壓縮試驗的bcc相多晶體 。為便於比較，本文還包括了純bcc金屬在再結晶(RX)或軋制(板)條件下的拉伸屈服應力。(B)密度由(22)起。最上面的數據是在室溫下。盒子突出了600到1000℃溫度範圍內的屈服強度。(C和D)位錯形態分別在稀釋元素合金和bcc MPEA中{1-10}滑移面上的示意圖。(E)含有87 nm×87 nm×246 nm的原子探針層析重建29.5 x 10^6個離子，顯示了所有原子和Mo. Nb或Ti原子的空間分布。


本文首先選擇納米壓痕過程中施加的多軸應力狀態，因為它提供了研究所有潛在位錯構型的途徑。加工後的MoNbTi的微觀結構最初不存在位錯，這從壓痕產生的塑性區外的均勻對比可以看出(圖2);本文觀察到的所有位錯都經歷了下滑。

圖2 納米壓痕引起的位錯。掃描透射電子顯微鏡(TEM)圖像(A)顯示了縮進下位錯的情況。(B至E) (A)中boxer區域的兩束亮場TEM圖像。每幅圖像中衍射向量g按箭頭所示方向旋轉。用a表示晶體的取向圖象的立方晶格。在格子中畫出伯格斯矢量。(F)編號為1至9的位錯，用於位錯線方向分析。


隨著應力從812增加到938 MPa(圖3A和B)，本文觀察到在看似相同的位錯之間高度變化的運動。許多位錯[如位錯(i)]滑到樣品的上邊緣，並產生長長的痕跡，而其他的位錯[如錯位(ii)和(iii)]只滑行很短的距離。通常由缺陷附近產生的非均質應力場可以解釋這種變異性，但缺陷所在區域的環境並不明顯不同。同一滑移體系中位錯的滑動行為不同，說明位錯滑移的局部晶格阻力在原子尺度上發生了變化，在當前放大率下無法檢測到。

圖3，(A和B)加載時位錯彎曲的動態觀察。C和D)在載重艙。兩個原始圖像之間的差異如下所示。從水平(張力)方向測量平行滑動軌跡至-61°。(E)從與圖像相同的角度顯示的相應滑移平面和博格斯矢量，包括施密德因子m。(F)中的等距視圖顯示了所選位錯的位置，這些位置由各自的圖像著色。紅色的長平行線是它的滑移痕跡。


圖4 在測量區域和測試應力值上的滑移活動的分布。(A)規範區域的初始微觀結構。(B和C)顯示各應力增量下微觀結構變化的不同圖像。(D) 變形微結構為1247 MPa。(E)工程應力-應變數據。(F)不同應力值下滑移活動發生的分布。


圖5 模擬了MoNbTi中{110)、{112)和(123)面螺旋和邊緣位錯的LSR。


綜上所述，本文首次清楚地且出乎意料地證明(i)在0.12 T的低溫度下，難熔MPEA中有大量非螺杆節段存在滑動錯位；(ii)高階滑移面在bcc MPEA中的重要性(iii) 隨機合金中防滑性的概率描述。這些結果構成了解釋該材料在較低同源溫度下具有高強度和均勻塑性的力學基礎，有助於理解其強度的弱溫度依賴性。這三種特性都適用於將材料暴露在極端溫度下的應用場合，而在傳統的再生金屬或合金中無法同時達到。由於位錯滑移的多特性和多平面特性可以作為材料篩選的一種機制指紋，這些見解為在MPEAs廣闊的成分空間中以理論為指導探索新合金鋪平了道路。

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