北京
加拿大多伦多大学材料科学与工程系的邹宇教授(Yu Zou)课题组开发了一种高通量研究方法，发现了具有优越热稳定性的(TiZrHf)x(NbTa)1−x纳米晶高熵合金(HEAs)。这项研究利用同步辐射X射线和电子显微镜观察到了从非晶-晶体纳米复合材料向体心立方(bcc)相的相变及其新的结晶机制。工作以 “Accelerated Discovery of (TiZrHf)x(NbTa)1−xHigh-Entropy Alloys With Superior Thermal Stability and a New Crystallization Mechanism”为题，于2024年6月4日发表在 Advanced Materials。该文章第一作者为多伦多大学博士生程昶钧(Changjun Cheng)，共同作者分别有加拿大同步辐射光源中心资深研究员凤任飞(Renfei Feng)与多伦多大学博士生吕天易(Tianyi Lyu)。
https://doi.org/10.1002/adma.202403632
研究背景
纳米晶金属通常强度高但热稳定性差。纳米晶高熵合金(HEAs)具有较好的热稳定性，但由于其广阔的成分空间，传统方法难以发现遍历多种组分并找到合适的成分配比。高通量研究方法可制备多组分样品库并进行快速测试与表征。相比于常温下的组合方法，该研究开发了一种高通量磁控共溅射与加热的方法以制备不同温度下退火的样品，并对其进行了相变机理分析。在所有难熔高熵合金 (RHEAs)中，TiZrHfNbTa具有优异的常温塑性，其高温性能主要受到相变控制，即双体心立方相(dual bcc)与密排六方相(hcp)相变的发生影响了高温机械性能。基于同步辐射X射线和电子显微镜表征，对(TiZrHf)x(NbTa)1−xHEA系统中的相变、晶粒生长和机制进行了全面评估。
主要结果
该研究发现了 (TiZrHf)x(NbTa)1−x合金库具有不同的热稳定性(相和晶粒尺寸)：随着NbTa含量的增加，系统在退火时倾向于实现热稳定的双bcc相；含TiZrHf较多的合保持单一成分的纳米复合结构，阻碍结晶和晶粒生长。
图1：高通量样品库经不同温度退火后的同步辐射X射线衍射结果。(a)不同区域的衍射花样。区域2在200 °C退火后发生了明显结晶。(b) 在成分维度上样品晶粒尺寸的分布。(c)归一化(200)峰强以表示结晶程度。
图2：原位TEM表征及电子衍射花样。(a-c)区域2在200 °C退火后出现纳米晶生长而(d-e)区域3加热中表现出稳定的纳米复合结构。
同时，原子分辨图像和CALPHAD计算提供了实验和热力学证据，揭示了高熵合金中新的结晶机制。基于以上发现，研究讨论了纳米复合结构如何演变为纳米晶状态，并确定了相比于传统纳米晶HEAs，溅射沉积的TiZrHfNbTa样品具有优越的热稳定性。
图3：高分辨TEM图像。在完全结晶(区域1)与部分结晶(区域2)样品中均出现了不同的原子(晶面)间距，说明了形成dual bcc相的倾向。
图4： TiZrHfNbTa系统的热力学计算与结晶机制。(a-b) 1225 °C与925 °C下的CALPHAD相图及(c) 相变吉布斯自由能示意图。(d) 与其他工作中纳米晶样品的热稳定性比较。(e) 非晶-晶体的结晶机制示意图。
该研究不仅拓宽了对多组分系统的研究维度(成分-结构-性能-温度)，还深入探讨了高熵合金系统中的结晶机制。高通量研究方法展示了其在材料研究方面的多功能性，为扩展其至成分复杂合金提供了可能。
加拿大多伦多大学邹宇教授及其课题组主页：
https://mse.utoronto.ca/faculty-staff/professors/zou-yu/
https://www.zou-mse-utoronto-ca.net/
本文来自微信公众号“材料科学与工程”。感谢论文作者团队大力支持。
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