Блог

Oct 25, 2023

Получение термостабильных наночастиц в химически сложных сплавах посредством контролируемой медленной решеточной диффузии

Nature Communications, том 13, номер статьи: 4870 (2022) Цитировать эту статью 6363 Доступов 23 Цитирования 23 Подробности об альтернативных метриках Укрепление наночастицами обеспечивает решающую основу для

Nature Communications, том 13, номер статьи: 4870 (2022) Цитировать эту статью

6363 Доступа

23 цитаты

23 Альтметрика

Подробности о метриках

Упрочнение наночастицами обеспечивает важнейшую основу для разработки высокопроизводительных конструкционных материалов с потенциально превосходными механическими свойствами для конструкционных применений. Однако общая мудрость часто не работает из-за плохой термостабильности наночастиц, а быстрое укрупнение этих частиц приведет к ускоренному разрушению этих материалов, особенно при повышенных температурах. Здесь мы демонстрируем стратегию получения сверхстабильных наночастиц при 800 ~ 1000 ° C в химически сложном сплаве Ni59,9-xCoxFe13Cr15Al6Ti6B0,1 (ат.%), возникающем в результате эффекта контролируемой медленной решеточной диффузии (SLD). Наше диффузионное кинетическое моделирование показывает, что элемент Co приводит к значительному снижению коэффициентов взаимной диффузии всех основных элементов, особенно для элемента Al, с максимумом до 5 порядков. Используя расчеты из первых принципов, мы также обнаружили, что несжимаемость Al, вызванная повышенной концентрацией Co, играет решающую роль в контроле эффекта SLD. Эти результаты полезны для достижения прогресса в разработке новых конструкционных сплавов с исключительным сочетанием свойств и стабильности микроструктуры для конструкционных применений.

Материалы, содержащие хорошо стабилизированные наноструктуры, предоставили значительные преимущества в поиске уникальных сочетаний свойств, включая как структурные, так и функциональные, что открывает большие перспективы для достижения повышенной энергоэффективности и углеродной нейтральности1,2,3,4,5. Особый интерес представляет то, что «упрочнение наночастицами» как мощная стратегия широко применяется для создания высокопрочных материалов, таких как современные алюминиевые сплавы6,7, стали8,9,10,11 и суперсплавы12,13,14, все которые играют решающую роль в различных технологических и промышленных областях, таких как аэрокосмическая, автомобильная и ядерная техника. К сожалению, эти мелкие частицы второй фазы на наноуровне неизбежно склонны к быстрому укрупнению, что резко снижает несущую способность исходных материалов и, как следствие, приводит к катастрофическим разрушениям15,16,17,18. Хотя были предприняты многочисленные усилия19,20, такое нежелательное поведение при укрупнении сохраняется как ахиллесова пята для многих конструкционных сплавов, особенно для тех, которые работают при повышенных температурах. Примечательно, что недавнее открытие химически сложных сплавов (ХСА) было продемонстрировано как новая парадигма для разработки новых конструкционных материалов с уникальными физическими и механическими свойствами21,22,23,24,25,26,27,28,29. В частности, так называемый эффект медленной решеточной диффузии (SLD)30,31,32,33 потенциально наделяет несколько CCA замечательной термической стабильностью34,35,36,37,38,39,40. Однако до сих пор из-за отсутствия количественного понимания основной механизм эффекта СЛД не был хорошо выяснен, а его атомистическое происхождение до сих пор остается загадочным. Это, к сожалению, делает достижение сверхстабильных наноструктур (USNS) в CCA неконтролируемым.

В настоящем исследовании, благодаря сочетанию различных дополнительных экспериментальных методов и теоретического моделирования, мы находим ключ к эффективной стабилизации наночастиц второй фазы в химически сложной высокоэнтропийной металлической системе NiCoFeCrAlTiB. Более конкретно, мы показали, что подбор концентрации элемента Co может контролируемо управлять эффектом SLD количественно, что позволяет нам существенно предотвратить быстрое укрупнение наночастиц при высоких температурах до 1000 ° C. Эти результаты могут проложить путь к разработке эффективной конструкции высокопроизводительных сплавов с хорошими механическими и термическими свойствами для высокотемпературных конструкционных применений.

Для изучения существенного влияния элемента Co на кинетику медленной диффузии в ХЦА были использованы три экспериментальных сплава Ni59,9-xCoxFe13Cr15Al6Ti6B0,1 (x = 0, 15 и 30 ат. %, обозначенные как 0Co, 15Co и 30Co). CCA) были отлиты методом дуговой плавки с последующей обработкой термическим старением (подробнее см. в разделе «Методы»). Как показано на рис. 1а–в, средние размеры наночастиц для трех КЦА с 0Co, 15Co и 30Co оцениваются соответственно как 1011,4 ± 235,4 нм (рис. 1а), 677,6 ± 111,5 нм (рис. 1б), и 567,3 ± 79,8 нм (рис. 1в) со старением при 1000 °С в течение 240 ч. Мы также демонстрируем типичные микрофотографии сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) CCA 0Co, 15Co и 30Co при 800, 900 и 1000 ° C в течение разной продолжительности (24 часа, 72 часа, 168 часов и 240 часов), см. Дополнительные сведения. Рис. 1–3. Далее мы количественно оцениваем эволюцию среднего размера наночастиц в трех CCA с изменением времени старения при разных температурах (подробности см. В разделе «Методы»), как показано на рис. 1d – f. Наши эксперименты показывают, что повышенные концентрации элемента Co могут существенно уменьшить средний размер частиц и дополнительно улучшить термическую стабильность этих наночастиц.