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2021-04-01 10:38:00 作者:材料学网来源:材料学网 分享至:

导读:本文报告了一种异常的堆垛层错介导的等原子FeNiCoCr高熵合金(HEA)变形,通过引入高压约2.5-4.7GPa的氦纳米泡。高压氦纳米气泡不仅可以通过其作为位错障碍来提高强度,而且可以通过促进交织堆叠层错的繁殖和相互作用来增强应变硬化能力并提供可观的可塑性。该结果为通过引入高压氦纳米气泡来调节HEA的变形机制提供了一种新颖的设计策略。


调控晶体缺陷和变形机制一直是开发高性能合金的关键。在冶金学中,通过热机械加工和热处理可以产生或减少诸如位错、晶界和相界之类的晶体缺陷,而变形机制包括位错滑移,孪晶和相变,可以通过调整合金成分来累积故障能量来设计。然而,这种传统的概念在微/纳米尺度的元件和器件中很难实现,因为精确和有针对性的合金化和小体积材料的加工更具挑战性。离子注入是调节微/纳米尺度材料力学性能的另一种选择,它可以可控地引入点缺陷,例如杂质原子、间隙和空位。在许多可注入离子中,氦离子特别独特,因为不溶性氦原子可以自发地沉淀成固体中的氦纳米气泡(HNB)。此外,氦原子很容易被位错,晶界和沉淀物之类的沉陷俘获。因此,自生长的HNB可能有选择地调制合金中预先存在的缺陷。最重要的是,HNB内部的氦气压力与其大小有关。实验表明,压力小于1 GPa的5-10 nm HNB可以产生多孔状纳米结构,从而增强小体积形状记忆合金的超弹性并提高亚微米级铜的延展性。当将HNB的尺寸进一步减小到1-3 nm时,氦气压力可以很容易地增加到千兆帕斯卡水平,使其与传统的纳米空隙明显不同,并且将大大改变金属材料的机械响应。但是,到目前为止,通过直接测量在高压HNB(HPHNB)内部的混凝土氦气压力仍然受到限制。还不清楚HPHNB是否可以改变变形机理以及它们如何影响金属材料的机械性能。


为了解决这些基本问题,本文选择了面心立方(fcc)高熵合金(HEA),因为它具有很强的抗气泡形成性,即HPHNBs的生长受到抑制和与纯金属相比提高的辐射耐受性。fcc HEA的缓慢氦扩散特性为氦离子注入制备HPHNB提供了广阔的工艺窗口。此外,FCC HEA与具有小的尺寸广泛的机械和功能性应用,包括机械超材料[ 29,30],催化剂和软磁体。此外,我们设想将自生长的HPHNBs引入fcc HEA会产生内部应力波动,除了源于化学短程级和局部原子应变的波动外,还可以定制纳米级缺陷结构和变形行为。因此,除了通过冶金学方法通过调整相亚稳定性,第二相纳米颗粒和浓度波动之外,该策略可能会增加新的维度来增强fcc HEA的强度-延性协同作用。


在这里,香港城市大学联合日本大阪大学、京都大学、南方科技大学通过可控氦离子注入成功地在FeNiCoCr HEA中制备了亚4 nm的HPHNBs,FeNiCoCr HEA是fcc HEA的原型合金 。通过低压单色电子能量损失谱仪(EELS)定量测量各个HPHNB内部的氦气密度和压力。使用原位透射电子显微镜(TEM)纳米力学测试,我们发现HPHNBs可以在FeNiCoCr HEA中产生堆垛层错介导的变形,这与在无HPHNB的同行和大量样品中观察到的完全位错滑移和/或变形孪生相反 。结果表明,HPHNBs不仅可以通过作为位错障碍来提高强度,而且可以通过促进交织堆叠断层的增殖和相互作用而达到两阶段的硬化机制。相关研究成果以题“Highly pressurized helium nanobubbles promote stacking-fault-mediated deformation in FeNiCoCr high-entropy alloy”发表在金属顶刊《Acta Materialia》上。


论文链接:https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.116843

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使用低压单色EELS分析,作者定量测量了HPHNB内部的氦气密度(84-103 nm -3)和室温氦气压力(2.5-4.7 GPa)。HPHNBs内的氦气压力比普通合金中的HNBs高得多,这可以归因于FeNiCoCr HEA的氦气扩散缓慢。通过原位系统研究了HPHNB-HEA的变形行为和力学性能。与原始的FeNiCoCr HEA纳米柱相比,HPHNB-HEA纳米柱的屈服强度显着提高了约50%,而塑性几乎没有降低。我们证明,HPHNBs可以作为在小体积FeNiCoCr HEA中产生堆垛层错介导的变形的来源,而在传统的热机械加工过程中,其变形行为在本质上是无法与之匹敌的。这种独特的形变行为,即HPHNB介导的形变,可能与HPHNB内部的高氦气压力有关,从而降低了原子位NEB计算所揭示的部分位错形核的活化自由能。

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图1。氦离子注入前FeNiCoCr HEA的微观结构。(a)X射线衍射图表明均质化的FeNiCoCr HEA具有单相fcc晶体结构。(b)显示FeNiCoCr HEA的晶粒结构的扫描电子显微镜图像。(c)预测氦气浓度和辐照损伤随深度的变化。

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图2。氦离子注入引起的纳米级缺陷。(a)原始FeNiCoCr HEA中的位错结构。(b)HPHNB-HEA中的位错结构。(c)菲涅耳对比度的TEM图像显示了在聚焦不足(-400 nm)和聚焦过度(+400 nm)条件下HPHNB的高密度。(d)HPHNB-HEA中的HPHNB尺寸分布。(e)纯镍中的HNB受到相同的注入条件。

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图3。STEM-EELS测量。(a)HPHNB-HEA的HAADF成像。(b)从HPHNB和(a)中指示的相邻矩阵获得的低损耗EELS光谱。(c)在植入温度下,HPHNB内部的氦气密度和压力是反半径的函数。橙色虚线表示在773 K下氦气压力的模型预测。

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图4。用于原位拉伸实验的推拉式设备。

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图5。在U-HEA和HPHNB-HEA上进行原位TEM拉伸测试。(a)连续的弱光束暗场(WBDF)或明场(BF)TEM图像显示了孪晶介导的U-HEA变形。一些变形双胞胎用白色箭头标记。(b)连续对焦不足的BF和WBDF TEM图像显示了HPHNB-HEA的堆垛层错介导的变形。一些主要和次要变形叠加断层(SFs)分别用蓝色和黄色箭头标记。衍射矢量g =

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图6。从原位拉伸实验中提取的TEM图像显示了(a)U-HEA和(b)HPHNB-HEA断裂前的最大应变。

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图7。HPHNB-HEA变形机制的HRTEM表征。(a)轴外HRTEM图像,显示了在应变较轻的HPHNB-HEA中从HPHNB发出的堆垛层错(SF)。区域轴(ZA)从[011]倾斜几度。插图:从白方块区域拍摄的快速傅立叶变换图像。(b)变形后微结构的HRTEM图像,显示了高密度的SF,纳米孪晶和Lomer-Cottrell(LC)锁。

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图9。U-HEA和HPHNB-HEA纳米柱的原位TEM压缩测试。(a)U-HEA和(b)HPHNB-HEA纳米柱在压缩下的连续明场TEM图像。(c)U-HEA和HPHNB-HEA纳米柱的压缩工程应力-应变曲线。


总的来说,这项工作提供了一种通过引入纳米级缺陷结构即HPHNB来调整FeNiCoCr HEA力学性能的新颖策略。我们相信,引入HPHNB有助于为能源和机电应用开发机械可靠的微米/纳米级fcc HEA。

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