东莞理工学院《Acta Materialia》：揭示Co在BCC难熔高熵合金中的非迟滞间隙扩散机制

高熵合金以其独特的多主元特性，近年来成为材料科学研究的热点，尤其是在高温结构材料领域表现出卓越潜力。传统观点认为高熵合金具有“迟钝扩散”效应，是其高温稳定性的来源之一。然而，事实真的如此吗？

近日，东莞理工学院王彪、李润霞团队与中国散裂中子源，西安交通大学、德国明斯特大学、斯图加特大学、马普所、拜罗伊特大学等多家国内外合作单位，在《Acta Materialia》上发表题为《Lattice distortions and non-sluggish diffusion in BCC refractory high entropy alloys》的最新研究成果。通过中子全散射实验与示踪扩散技术结合第一性原理计算与机器学习，系统揭示了BCC高熵合金中局域晶格畸变与非迟滞扩散之间的深层联系，为理解和设计高性能高熵合金材料提供了全新思路。

论文第一作者为东莞理工学院的张景峰博士，通讯作者为东莞理工学院的李润霞教授以及明斯特大学的Sergiy Divinski教授。

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2025.121283

论文首次在TiZrHfNbV和TiZrHfNbTa两种体心立方结构（BCC）难熔高熵合金中，利用合适的放射性同位素，测量了Co、Mn和Zn的杂质扩散行为。同时，研究还通过中子总散射实验和第一性原理计算，对这两种高熵合金中的晶格畸变进行了定量评估。主要研究结果总结如下：

1）两种RHEA均表现出显著的局部晶格畸变，强于传统难熔合金。与TiZrHfNbTa相比，TiZrHfNbV合金在原子尺寸错配计算和通过对分布函数及均方位移评估的局域畸变方面均显示出更强的晶格畸变，这主要归因于V元素较小的原子半径。

2）在整个测试温度范围内，Co的扩散系数始终最大。Mn、Zn和Zr的扩散速率明显低于Co，其中TiZrHfNbTa合金在整个温度范围内满足 Co > Mn > Zn > Zr，TiZrHfNbV合金在高于某一“交叉温度”（约1125 K）时亦表现出相同趋势。

3）DFT计算结果表明，Co原子以“解离机制”进行间隙跳跃可能是其在两种合金中主要的扩散机制，尤其在TiZrHfNbTa中尤为明显。

4）晶格畸变被认为是促使Co扩散率显著高于其在纯元素中扩散行为“平均预期值”的重要原因。

5）在所研究的温度范围内，短程有序（SRO）对杂质原子溶解度的影响较小，不太可能对观察到的扩散行为产生显著影响。

图1、(a) PDF谱图，(b) 前8个PDF峰位的谱图，并以第一近邻距离进行归一化处理，(c) 前8个配位壳层的半高宽（FWHM），(d) 对比TiZrHfNbV和TiZrHfNbTa两种RHEA中，通过中子总散射实验获得的PDF与由DFT计算得到的径向分布函数推导出的PDF。

图2、Co（圆点）、Mn（三角形）和Zn（菱形）的杂质扩散系数，与Zr（方块）自扩散系数对比，在TiZrHfNbTa（空心）和TiZrHfNbV（实心）RHEA中，分别以(a) 绝对温度的倒数（⁻¹）和(b) 同源温度的倒数（m/）为横坐标。

图3、(a) TiZrHfNbTa 和 (b) TiZrHfNbV 两种RHEA中，Co、Mn 和 Zn 元素在替位态和间隙态下的溶解能分布。每种分布均给出了其平均值及相应的标准差（单位：eV）

来源微信公众号“材料科学与工程”，感谢评论文章作者来稿。