金属顶刊《Acta Materialia》：纳米晶高熵合金晶界的非均匀元素偏析行为!

2021-09-10 11:14:30 作者：材料学网来源：材料学网分享至：

由于多主元特性，成分复杂合金中偏析行为通常要比传统合金的偏析行为更为复杂。另外，纳米晶材料相对于粗晶材料具有更高的含量的晶界，而晶界相对于晶内具有较高能量，因此纳米晶具有比粗晶更高的系统能量。有研究表明，粗晶CoCuFeMnNi合金的在不同热处理状态下的偏析行为可用相图热力学方法加以解释。然而，当晶粒细化到纳米晶状态时，高含量高能晶界对其相演化行为的影响规律和机理依然缺乏相关研究。而且，晶界可作为扩散或偏析的有利通道使其对相演化产生进一步的影响，晶粒细化效应与Cu难以与其他元素互溶的特性的耦合作用也依然不清楚。另外，在亚稳态纳米晶体中表征这些行为需要一个高的空间和时间分辨率，这也是一项挑战。因此，目前人们对纳米晶的成分复杂合金（CCAs）中复杂的晶界偏析和相变行为依然缺乏深入的理解。

近日，德国卡尔斯鲁厄理工学院Christian Kübel团队采用原位加热透射电镜结合自动晶体定向映射（ACOM）和能量过滤透射电子显微镜（EFTEM）来系统研究了以高压扭转（HPT）制备的纳米晶CoCuFeMnNi合金的复杂的相演化和晶界元素偏析行为。其晶界偏析和贫化导致了富Fe和Co元素B2结构的第二相的形成，并且与fcc基体呈K-S或N-W取向关系。随后，Mn、Ni和Cu元素偏析于晶界而Fe和Co贫化。3D-APT分析表明，该合金的非均匀偏析发生在不同类型的晶界，而且富FeCo相中含有微量的Ni但对Cu排斥，导致单独富Cu相的形成。这种复杂的偏析现象是由纳米晶材料中的大量晶界和三叉晶界导致的。相关结果以“Grain boundary segregation inducedprecipitation in a non equiatomic nanocrystalline CoCuFeMnNi compositionallycomplex alloy”为题发表在Acta mater（https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117281）上。

通过系统而深入的研究，结论如下：1.热处理过程中试样的微观组织演变为：1）250℃~300℃时Co、Ni、Cu向偏析于晶界，Fe和Mn在晶界贫化；2）340℃时，Fe和Co在三叉晶界偏析并形成B2相，Ni、Cu、Mn于随机晶界处偏析并形成第二相直到到400°C2.Cu在生长过程中被B2沉淀排斥。3.加热初期，B2随着元素偏析在晶界处析出并抑制晶粒长大，析出物回溶于基体中后fcc晶粒又开始长大。3.几乎所有的析出相都与基体呈K-S或N-W取向关系。

图一。纳米晶CoCuFeMnNi合金的晶粒取向和元素分布图表明各元素分布均匀

图二。纳米晶CoCuFeMnNi合金在600°C热处理后各元素的分布

图三。纳米晶CoCuFeMnNi合金在400°C热处理后元素偏析分布

图四。3D-APT表征纳米晶CoCuFeMnNi合金中Fe、Co、Ni、Cu和Mn元的分布

图五。纳米晶CoCuFeMnNi合金在不同温度热处理后各元素的分布

图六。纳米晶CoCuFeMnNi合金在不同温度热处理后相含量演化行为

图七。纳米晶CoCuFeMnNi合金热处理后的微观组织演化示意图

总之，该工作揭示了一种在纳米晶高熵合金中出现的复杂的相演化和晶界的非均匀元素偏析行为，有助于人们对多组元成分复杂合金的组织稳定性的进一步理解。而且，由于晶界第二相对金属材料力学性能有显著的影响，而且多数情况下会导致材料的脆化，因此，该研究也有助于人们深入理解晶界偏析和相变行为，从而避免有害相的形成，为开发高性能高熵合金提供了一定的借鉴意义。

免责声明：本网站所转载的文字、图片与视频资料版权归原创作者所有，如果涉及侵权，请第一时间联系本网删除。