《Materials Today》納米晶體-玻璃共生合金：兼具高強度和熱穩定性
2021-12-18 來源：GS-Metals
近日，馬克思普朗克鋼鐵研究所聯合南方科技大學和中南大學的研究人員提出了一種用于晶體-玻璃復合材料的新型合金設計概念，利用退火誘導的元素從晶體到玻璃相的動態分配來提高玻璃相的結晶溫度并增強晶體的變形能力，從而以共生的方式穩定整個晶體-玻璃復合材料。研究人員以Cr-Co-Ni（結晶）/Ti-Zr-Nb-Hf-Cr-Co-Ni（非晶態）層狀復合合金模型的形式實現了熱穩定、超強和可變形的晶體-玻璃納米復合材料。這種共生合金在環境溫度下具有3.6GPa的超高壓縮屈服強度和約15% 應變的大均勻變形，超過傳統金屬玻璃和納米層狀合金。此外，與原始的TiZrNbHf基非晶相相比，該合金的結晶溫度高出約200 K（TX > 973 K）。相關研究成果以Short Communication的形式，題為“Symbiotic crystal-glass alloys via dynamic chemical partitioning”發表在材料頂刊《Materials Today》上。全文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.mattod.2021.10.025。
研究人員使用磁控濺射通過交替沉積18 nm厚的 Cr-Co-Ni納米層和12 nm厚的Ti-Zr-Nb-Hf納米層來制造晶體-玻璃共生合金，其微觀組織和成分如圖1所示。結果顯示 Cr-Co-Ni和Ti-Zr-Nb-Hf層分別呈現密排六方堆積（HCP）和非晶結構。這與之前的研究結果有著顯著不同。之前的研究結果表明，CrCoNi 和 TiZrNbHf 合金在熱平衡時分別具有面心立方（FCC）和體心立方（BCC）晶體結構。原子探針斷層掃描（APT）結果表明兩種納米層分別主要由 CrCoNi 和 TiZrNbHf 組成。然而，組成為Ti21.9Zr22.0Nb20.6Hf22.5Cr3.0Co2.5Ni7.5 (at.%) 的Ti-Zr-Nb-Hf 納米層在沉積樣品中含有一定量的Cr、Co和Ni。
圖1 晶體-玻璃共生合金的微觀組織和成分
進一步通過原位TEM加熱和非原位退火實驗發現晶體-玻璃納米復合結構在973 K下保持穩定。結果表明，非晶相中的Ni和Co含量從初始狀態的8%和3%在623K退火1小時后增加到37%和18%，而且在973 K退火1小時后并增加到37%和30%。這表明基于TiZrNbHf的非晶納米層在退火后轉變為富含Ni和Co的金屬玻璃，這也使得晶體-玻璃共生合金的硬度在退火后從最初的6.4 GPa增加到11GPa。因此，這種動態元素分配機制抑制了高溫下非晶相的結晶，進一步提高了晶體-玻璃共生復合材料的機械強度。
圖2 晶體-玻璃共生合金的熱穩定性
研究人員為了揭示晶體-玻璃共生合金在環境溫度下的變形行為，在像差校正的TEM中進行了原位拉伸實驗，結果如圖3所示。晶格分辨的HRTEM圖像顯示，在拉伸載荷期間，晶相的原始HCP結構轉變為HCP + FCC，最后完全轉變為FCC。這種FCC結構在分位錯滑移系方面增加了進一步的運動自由度，提高了共生合金的延展性。此外，在完全變形的結晶相中很難找到位錯。這表明變形過程中產生的位錯似乎在玻璃相中消失了，玻璃相在進行塑性流動時充當位錯匯。總的來說，由晶體-玻璃界面產生的位錯與它們在晶相內的運動、剪切驅動的HCP到FCC相變以及位錯在玻璃納米層上的湮滅為材料提供了良好的延展性。圖4也給出了晶體-玻璃共生合金的力學性能。結果顯示，晶體-玻璃共生合金顯示出更高的屈服強度（3.6 GPa）和約15%的均勻變形，這是由于晶體-玻璃納米結構和玻璃的均勻塑性流動的強化作用。
圖3 晶體-玻璃共生合金在室溫下的原位TEM拉伸變形行為
圖4 晶體-玻璃共生合金的力學性能
總之，該研究通過熱力學引導合金設計方法開發了一種具有高熱穩定性、超高強度和大塑性變形能力的新型晶體-玻璃共生合金。它利用兩個相鄰相之間的相互元素分配來修改它們各自的特性，使它們能夠增加強度和具有相容的共變形，建立一種被稱為“共生”的協同效應。這種組合使共生合金在機械和熱高負載環境中的應用具有吸引力，例如暴露在惡劣的熱條件下的微機電系統、柔性設備和3D打印結構涂層。此外，當前研究中的共生合金可能作為基材的保護涂層或獨立部件的薄膜提供潛在的應用。
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