西安交通大学《JMST》多主元合金的成分波动和局部化学有序！

2024-10-23 10:17:28 作者：材料学网来源：材料学网分享至：

多主元合金（MPEA），亦被称为复杂成分合金（CCA）和高熵合金（HEA）。凭借其独特的成分特点，为开发具备突出力学/物理性能的新型金属材料开辟了广阔的探索空间，充分展现出巨大的研究价值与应用潜力。不过，这也随之引发了一个新的问题，即MPEA在微观尺度上究竟发生了何种新的变化，从而使其有别于目前广泛研究的传统固溶体合金（dilute alloy）。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jmst.2024.09.008

近日，西安交通大学马恩教授和丁俊教授，从化学成分分布的角度出发，指出这些近等摩尔比构成的多主元合金（MPEA），在亚纳米至几纳米的尺度范围内，呈现出超高密度的化学分布不均匀性。这种局域成分起伏和局域化学有序（Local chemical order, LCO）所引发的原子级空间变化，是多主元合金固有的结构特性，对力学/物理性能有着多方面的重大影响。相关Review以“ Compositional fluctuation and local chemical ordering in multi-principal element alloys ”为题受邀发表在期刊Journal of Materials Science & Technology上。马恩教授为论文第一作者兼通讯作者。该项研究得到了国家自然科学基金（No. 52231001）与西安交通大学材料创新设计中心（CAID）的支持。

Review对目前多主元合金中的多种化学不均匀性进行了全面定义与分类，包括成分波动（compositional fluctuation）、成分起伏（compositional undulation）、局域化学有序（LCO），化学短程有序（chemical short-range order, CSRO）等。并详细讨论了LCO的概念，对LCO的观察以及定量分析，不同实验条件下LCO的演变，比较了MPEA中的化学不均匀性与其它已知不均匀性之间的差异，最后总结并展望了这些微观结构特征对未来MPEA研究和应用带来的潜在影响，主要分为以下几点：

（1）化学短程有序（CSRO）的类型在给定的合金系统中的多样性和可变性强调了原子间相互作用的复杂性和成分起伏在确定材料的微观结构和性质中的重要性。

（2）CSRO通常只与原子完全随机分布间存在微小偏差，并且识别这些微小偏差通常具有挑战性，表现在难以使用常规表征工具进行检测和量化。

（3）LCO同样在影响辐照诱导点缺陷重组及位错动力学方面发挥重要作用。简而言之，对MPEA中化学不均匀性的研究揭开了固溶体材料科学研究的新篇章。

图 1. 均匀化的 MPEA 只有在非常高的温度下内部原子才接近于无规律排布，其构型熵高，相当于理想溶液。然而，当固溶体冷却到并保持在较低的退火温度时，由于自由能的焓贡献变得显著，固溶体内部会形成局部化学有序。

图 2. 原子位于dilute multi-component solid solution（a）和MPEA（b）的晶格位点上。在dilute multi-component solid solution中，溶质原子周围只有溶剂原子，而在MPEA中，每个原子周围的局部化学环境可能会有很大不同与变化。