东北大学在合金结构相变方面取得重要进展

作者:许存立编辑:迟美琪 刘颖慧来源:材料科学与工程学院更新日期:2022-08-09浏览次数:25

近日,东北大学材料科学与工程学院在高熵合金结构相变研究方面取得进展,相关研究成果以“Polytypic omega/omega-like transformation in a refractory high-entropy alloy”为题发表在Acta Materialia(Acta Mater.2022,238:118207)。该研究利用东北大学分析测试中心的球差校正透射电镜结合第一性原理计算揭示了难熔高熵合金中的omega和多型类omega相变机理。该论文的第一作者为东北大学材料科学与工程学院已毕业硕士研究生赵晓波,通讯作者为材料学院青年教师谢红波博士和秦高梧教授。该研究主要得到了国家自然科学基金(No. 52101129)和中央高校基本科研业务费(No. N2202013)的支持。

固态相变无处不在,是现代材料科学的基础。近年来,BCC型难熔高熵合金(Refractory high-entropy alloys)被认为在未来的高温合金,超弹和超导领域有着广泛的应用前景,深入理解合金微观结构和相变机理的原子尺度细节对调控其性能至关重要。但由于高熵合金的高构型熵以及原子扩散缓慢,BCC型高熵合金体系中发生大规模的omega (ω)相变被认为是非常困难的。

在构型熵稳定的难熔BCC型TiZrNbTa模型高熵合金中,该研究运用球差电镜证实了体系中发生了不同寻常的ω和多型的类ω相变,并最终促进了合金群落结构的形成。这些化学有序的ω和多型的类ω相由相分离产物中的BCC-2结构形核而成。第一性原理计算表明BCC晶格通过自适应的原子shuffle可以转变为非密排的六角ω超结构,而沿a或b轴方向对(0001)ω原子层集体施加一个特定的切应变(基体约束引起的)则可使完全正交的ω超结构过渡为亚稳的非正交类ω相。TiZrNbTa合金中ω和多型的ω超结构转变的发现表明这类相变现象可能广泛存在于BCC型的高熵合金中,将为后续设计新型的先进难熔高熵合金提供理论指导。

另一方面,该研究还进一步增进了人们对ω相变的认识。传统发生在IV族金属或合金中的ω相变通常是无热位移式、等温扩散位移式或等温无扩散位移式3种类型,而发生在TiZrNbTa合金中的相变不仅涉及基于原子扩散的成分分配(相分离)和位移式转变,还包含无序-有序超结构转变和切应变引起的原子层集体位移。此外,传统的ω相通常为纳米尺度,具有板条状或椭球状,且与BCC基体完全共格;但TiZrNbTa难熔高熵合金中发现的块状ω或类ω相为微米级的,而且与BCC基体呈半共格关系。

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