《Acta Materialia》L12型多组分金属间化合物元素分布与变形机制

高熵合金(HEAs)的开发极大地激发了合金设计策略。通过将多个主元素合并到简单固溶体中，导致HEAs在原子水平上呈现无序状态。研究发现，HEAs的大部分特殊性质与其无序的化学结构有关，包括HEAs在内的无序合金在高温下的强度通常较低，这极大地限制了其应用。另一方面，L12型有序金属间化合物具有较高强度，通常用作常规高温合金的强化成分。L12强化高温合金在高温(750℃以上)下表现出优异的力学和化学性能，已广泛应用于燃气轮机、超临界电厂和柴油机中。结合HEAs和L12有序金属间化合物的优点， L12 沉淀强化HEAs已经被开发出来，并表现出了优异的强度-延性协同效应，使其成为各种应用中有前途的结构材料。在L12强化的HEAs中，强化效果强烈依赖于相组成和析出相的变形行为。由于HEA基体的成分复杂，引入的L12析出相也表现出成分变化。L12金属间析出相的析出机制和变形机理还不清晰，限制了L12沉淀强化HEAs的进一步发展。

香港城市大学的研究人员探讨了L12型多组分金属间化合物(MCIs)的位置偏好和变形机理。相关论文以题为“Elemental partitions and deformation mechanisms of L12-type multicomponent intermetallics”发表在Acta Materialia。

论文链接:

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117238

本文选择(Ni,Co,Fe)3(Al,Ti,Fe)合金作为模型系统。对于这样一个具有部分无序结构的系统，关键是阐明每个合金元素在强化和变形机制中的作用。因此还分析了从(Ni,Co,Fe)3(Al,Ti,Fe)衍生出来的六种化合物，包括(Ni,Co)3Al、(Ni,Fe)3Al-Fe13、(Ni,Fe)3Al-Fe7、Ni3(Al,Ti)、Ni3(Al,Fe)-Fe13、Ni3(Al,Fe)-Fe7。

研究发现Ti倾向于占据Al亚晶格，而Co和Fe原子主要分布在Ni亚晶格中。根据已建立的元素分配趋势，构造特殊的准随机结构。通过DFT计算研究这些MCIs的变形机理，得到了一般平面层错能，包括γSPF和γUPF。几何结构和电子结构分析表明，TiAl在提高平面断层能中起着重要作用，因为TiAl会降低MCI对平面断层的适应性。相反，Co、Ni通过提高适应性降低了MCIs的 γSPF 。FeNi和FeAl对平面断层的适应能力有一定的改变，对γSPF变化影响不大。

图1 完美L12有序Ni3Al(原始)、反相边界(APB)、复杂层错(CSF)和超晶格内禀层错(SISF)的结构模型

图2(a-e)相对能量、(f-j) 1NN和(k-o) 2NN SRO参数随DFT-MC步长增加的变化

图3 (a) Ni3Al中APB、CSF和SISF的稳定和不稳定平面层错能(γSF和γUPF)。(b) APB、CSF和SISF一般平面断层的原子轨迹

图 4考虑MCIs的APB、CSF和SISF能量(γSPF，上排)及其平均值(下排)的分布

图5 断裂带不同成分浓度γSPF变化趋势

本文基于第一性原理计算，研究了多组分HEAs中重要强化组分(Ni,Co,Fe)3(Al,Ti,Fe)多组分金属间化合物的元素分配和变形机理。为了阐明每个合金元素的作用，分析了(Ni,Co,Fe)3(Al,Ti,Fe)及其派生的六个L12子系统。DFT-MC模拟结果表明，APB和CSF层引入的几何结构和电子结构变化局限于断层附近。SISF的形成减轻了整体结构的几何结构和电荷密度重新分布的程度。本文通过确定不同元素和不同金属间化合物对MCIs局部几何结构和电子结构的影响，明确MCIs变形行为的基本理解，为合理设计有序析出强化HEAs铺平了道路。 （文：破风）

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