南京理工/河海大学《Acta Materialia》：中熵合金晶界迁移机制的原子尺度理解

近日，南京理工大学材料学院赵永好教授团队在《Acta Materialia》在线发表了题为“Atomistic insights into grain boundary migration in a Co30Fe30Ni30Ti10medium-entropy alloy”（Co30Fe30Ni30Ti10中熵合金晶界迁移的原子论见解）的研究论文。南京理工大学纳米异构材料中心的王露凌博士为论文的独立第一作者。南京理工大学与河海大学为论文的共同通讯单位。赵永好教授和曹阳教授为论文共同通讯作者。

全文链接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2025.121691

纳米晶材料具有大量的晶界，而晶界具有低原子堆积密度和无序的原子结构；因此，纳米晶材料的构型熵和振动熵要显著高于其粗晶态，其吉布斯自由能也更高。纳米晶材料通常具有很强的晶界迁移自驱动力，并且在高温下容易发生热不稳定和晶粒长大。即使在室温下，纳米晶纯铜也会发生显著的晶粒长大。而中/高熵合金通常展示出优异的热稳定性，这通常被归因于“迟滞扩散”和“严重晶格畸变”效应。在过去的二十年里，人们为提高纳米晶材料的热稳定性付出了巨大的努力。例如，在纳米晶材料中引入低能量界面，如：小角晶界、共格孪晶界、Schwarz结构等，这些方法均可以同时稳定纳米晶结构并提高其机械强度。此外，通过动力学稳定策略固定晶界，如晶界处的溶质偏析可降低晶粒生长的驱动力；第二相颗粒钉扎（Zener 钉扎）也是抑制晶粒生长的重要手段。从迟滞扩散的角度来看，中熵和高熵合金中的纳米结构被认为是稳定的。然而，最近的一些研究提出了不同的观点。例如，有研究表明：CoCrFeMn0.5Ni高熵合金在高温（873~1323 K）下的扩散系数高于钢和一系列纯金属。此外，在实验中，当涉及氧化物和碳化物等二次相颗粒对晶界施加钉扎时，几乎不可能确切地评估基体晶界的本征稳定性。在这种情况下，需要进行可比的研究来阐明中/高熵合金热稳定性的起源。

针对上述科学问题，该研究以Co30Fe30Ni30Ti10中熵合金为模型材料，通过详实的原子模拟调查了影响其晶界迁移的因素。这项研究表明：“迟滞扩散”和“严重晶格畸变”效应都不应该被先入为主地视为抑制晶界迁移的主要因素。而实际上，晶界迁移可以被能量上有利的原子种类（例如，本研究中的Ti）有效抑制。通过计算晶界迁移过程中的最小能量路径，本研究确定了不同系统（纯金属，随机固溶的Co30Fe30Ni30Ti10中熵合金和具有晶界偏析的Co30Fe30Ni30Ti10中熵合金）之间晶界迁移行为的差异。重要的是，通过先进的激活-弛豫技术进一步确定了不同原子种类对晶界稳定性的贡献。此外，Ti偏析和Ti-Fe有序化增加了晶界处原子结构重排的激活能垒，表明焓驱动的原子相互作用和配对是多主元合金晶界稳定性提高的主要原因。

图1.Co30Fe30Ni30Ti10中熵合金晶格畸变与短程有序的量化

图2.纳米晶Co30Fe30Ni30Ti10中熵合金晶界偏析能谱

图3.双晶Co30Fe30Ni30Ti10中熵合金晶界偏析能谱与多晶偏析能谱的比较

图4.不同温度下Co30Fe30Ni30Ti10中熵合金的晶界结构演变

图5.高温下Co30Fe30Ni30Ti10中熵合金的晶界扩散行为

图6.高温下Co30Fe30Ni30Ti10中熵合金的晶界迁移速度和结构演化

图7.Co-Fe-Ni-Ti系中熵合金晶界迁移的温度-迁移率关系

图8.纯金属晶界迁移相关的能量最小路径与迁移机制

图9.随机固溶的Co30Fe30Ni30Ti10中熵合金晶界迁移相关的能量最小路径与迁移机制

图10.随机固溶的Co-Fe-Ni-Ti系中熵合金晶界迁移能垒Eb和晶界能EGB的关系

图11.具有Ti晶界偏析和化学短程有序的Co30Fe30Ni30Ti10中熵合金晶界迁移相关的能量最小路径与迁移机制

图12.Co30Fe30Ni30Ti10中熵合金晶界结构重排事件相关的激活能图谱

结语：

该研究以Co30Fe30Ni30Ti10中熵合金为例，对具有代表性的晶界结构的晶界迁移行为进行了全面的原子模拟。该研究挑战了多主元合金的传统理论观点，并且提出：多主元合金的晶界迁移由原子间焓交互作用所主导，其通过影响材料的本征能量路径来控制晶界迁移。这些见解强调了化学复杂性对多主元合金晶界迁移的深远影响，并深化了对其中关键热力学与动力学因素的理解。上述工作得到了国家自然科学基金项目，江苏省自然科学基金项目以及中央高校基础研究基金项目等资金的支持。

本文来自“材料科学与工程”公众号，感谢作者团队支持。

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