西安交大、中科院力学所、清华三校合力发Nature

小胖纸 4年前 (2021-04-29) 2950浏览

【背景介绍】

多主元素的复杂浓溶液作为高熵或中熵合金（HEAs或MEAs）被广泛研究，通常假设这些材料具有理想溶液的高构型熵。然而，组成元素之间的焓相互作用在常温下也会发生，从而导致不同程度的局部化学有序。在形成的局部化学有序中，化学短程有序（CSRO）可以说是最难破解的，目前，这些材料中CSRO的确凿证据一直没有找到。

短程有序（SROs）通常是热诱导的无限小浓度波动，与化学对关联直接相关，已在镍铬（NiCr）和铁铬（FeCr）合金等二元体系中广泛观察到。作者利用钒-钴-镍（V-Co-Ni）作为模型系统，因为平衡的V-Co、V-Ni和V-Co-Ni相图显示了在一定温度和成分范围内的二元和三元金属间化合物。在室温下，面心立方（fcc）无序固溶体的VCoNi MEA是亚稳相的，具有部分化学有序的可能性。具体而言，作者假设这种单相fcc MEA偏向形成V-Co和V-Ni键，同时避免形成V-V。然而，这样的CSRO非常难直接观察到。

【成果简介】

今日，西安交通大学马恩教授、中科院力学研究所武晓雷研究员和清华大学朱静院士（通讯作者）等人报道了他们通过设计系统且细致的实验，以避免需要数据拟合和多种可能的解释。通过使用适当的区轴、微/纳米束衍射、原子分辨率成像和透射电子显微镜（TEM）的化学绘图，明确地揭示了面心立方（fcc）VCoNi浓溶液中的CSRO。其中，TEM观察显示VCoNi MEA中的双相微结构，主要相是fcc溶液，体积分数约为80%。少数相仅占样品体积的20%左右，具有长程化学有序的L1₂结构，以块状存在于fcc晶粒内，含有高密度的断层。完全再结晶的fcc溶液由等轴和无位错晶粒组成，平均尺寸为1.2 μm。根据原子探针层析成像证明，其成分为V₃₆Co₃₃Ni₃₁，由于共存的L1₂含有更多的Co和Ni，因此相对于整个VCoNi成分略有移动。这些互补表征提供了有关CSRO的程度/范围、原子堆积结构以及化学物种优先占据相邻晶格平面/位置的具体信息。对最近原子壳层上CSRO序参数和对关联的模拟表明，CSRO偏向于相邻最近的不同（V-Co和V-Ni）对，并且避免了V-V对。总之，该发现不仅提供了一种鉴别浓溶液合金中CSRO的方法，而且也使用原子应变图来证明CSROs增强的位错相互作用，阐明了这些CSROs对塑性机制和变形后力学性能的影响。研究成果以题目为“Direct observation of chemical short-range order in a medium-entropy alloy”发表在国际顶级期刊Nature上。

【图文速递】

图一、VCoNi MEA的TEM微观结构