《Acta Mater》超強性能多元納米晶合金科學頭條網

眾所周知，合金通常在納米晶狀態下（晶粒通常小於100 nm）表現出超強的性能，而這些性能主要體現在高強度，可塑性和耐磨性，在磁性材料的高矯頑力和柔軟性，以及優異的熱電性能等。然而，納米晶合金結構與能量損失有很大關聯性。通常這種

納米結構是不穩定的，易粗化。因此，科學研究者們如何有效的阻止粗化是實際實施與快速應用的關鍵。

近日，來自美國的耶魯大學和麻省理工學院共同合作的一項最新研究成果表明採用組合共濺射技術可以很好地穩定納米晶合金，從而獲得穩定的超強性能。相關論文以題為“Combinatorial study of thermal stability in ternary nanocrystalline alloys”於2020年2月5日發表在金屬材料領域頂刊《Acta Materialia》上。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.01.059

隨著科技快速發展，人們越來越關注三元或更高階系合金，該項研究的相關科研人員通過採用組合共濺射技術有效地研究這類體系的組成空間並且結合組成-晶粒-尺寸圖揭示納米晶體的穩定性。本文研究比較了Pt-AuPd和Pt-AuAg兩組三元合金，在Pt-AuAg中，兩個二元體都被認為是穩定的。而在Pt-AuPd中，Pt-Pd二元結構是不穩定的，並且Au誘導Pd的共分離已有報道。對於三元Pt-AuAg，始終發現它具有很好的熱穩定性。相比之下，Pt-AuPd三元系統分為不穩定區和穩定區，前者Pd溶質占主導地位並析出，後者Au溶質占主導地位並在晶界保留Pd的穩定區域。總之，將當前的理論與引入的組合方法相結合，可以快速確定穩定的多組分納米晶組成空間。

圖1. 研究工作流程

圖2. 按工藝條件分組的Pt-AuAg系統中五種代表性成分的選定X射線衍射圖

圖3. 定量分析衍射圖

該項研究利用組合共濺射技術主要研究了兩種三元合金系納米晶結構的熱穩定性。這代表了三元體系中納米晶合金穩定性的兩種截然不同的情景。對於Pt-AuAg，兩種溶質獨立地通過晶界產生穩定的納米晶結構。它們各自的基礎溶劑-溶質二元系中的分離。此外，不存在顯著的溶質-溶質相互作用。這種體系在整個三元組成範圍內都表現出很高的納米晶穩定性。而在第二個體系Pt-AuPd中，只有一種溶質在其二元體系中偏析形成穩定的納米晶結構，而第二種溶質則沒有。

此外，穩定溶質可以通過增加第二溶質的有效偏析焓來誘導第二溶質的共偏析。這種三元體系表現出兩個穩定區域。發現熱力學穩定的納米晶體結構，其中穩定的溶質占主導地位，並通過誘導其共偏析而在晶界中保留少量的第二溶質。在另一種情況下，納米晶結構變得不穩定，因為去分離的溶質占主導地位並在晶界沉澱，因為解離溶質不能保留在晶界中，而解離溶質佔優勢並沉澱。由共分離的溶質-溶質相互作用誘導。

這兩種穩定機制的程度取決於共偏析相互作用的程度，即對於溶質之間具有更強共偏析趨勢的系統，預期穩定的納米晶體結構區域將跨越更寬的組成範圍。