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Nano Res.[单元]│中科院金属所卢柯团队:在三元纳米晶Ni-Mo-W合金中利用热弛豫提高纳米金属结构稳定性

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背景介绍


纳米金属材料优异的性能常受制于其较差的结构稳定性,晶界偏析作为一种可有效提高纳米晶体材料结构稳定性的方法,受到普遍关注。然而,晶界偏析在高温下通常会面临第二相析出的挑战,第二相析出消耗晶界溶质原子,破坏晶界偏析,继而导致纳米结构的迅速失稳。因此,亟需找到一种新的策略,既可提高纳米金属的结构稳定性又可抑制第二相的析出。研究发现,基于提高具有低能晶体学晶界占比的晶界弛豫手段可有效提高纳米金属的结构稳定性。在纳米晶合金中,晶界弛豫不仅会带来晶界晶体学组态上的变化,还会引起化学成分的重新分布。此外,晶界弛豫还可抑制晶界上原子扩散。晶界弛豫可通过从晶界发射不全位错的方式“机械”激发,也可用加热的方式通过形成退火孪晶 “热”激发。能否在“自下而上”方法制备的纳米晶合金体系中通过引入晶界弛豫抑制第二相析出,提高纳米金属的高温结构稳定性?


成果简介


本文在二元纳米晶Ni-Mo合金中引入少量的第三组元W,意图通过W的加入降低层错能,利用退火形成大量的退火孪晶,继而激发晶界弛豫。结果显示,电解沉积方法制备的平均晶粒尺寸为6纳米的Ni-17Mo-3.6W三元合金,表现出比具有相当晶粒尺寸二元Ni-17Mo合金更优异的结构稳定性。研究发现,三元纳米晶合金的结构稳定性与金属间化合物Ni4(MoW)的析出被显著抑制紧密相关。退火过程中伴随着大量退火孪晶的形成,出现了特征小平面晶界及大量Σ3重合位置点阵晶界,表明“热”晶界弛豫被激发。弛豫晶界降低了晶界能,将溶质原子“排入”晶内,导致晶界溶质原子的贫化,第二相析出被抑制可能与此相关。本研究展示了一种利用晶界热弛豫稳定纳米金属的新策略,对用“自下而上”方法制备的纳米晶薄膜、涂层甚至块体合金的高温应用具有重要意义。

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作者简介


卢柯研究团队长期致力于纳米金属材料的结构设计,制备与加工技术,力学性能表征与分析,物理化学性能,结构稳定性等研究,在纳米孪晶结构、小角层片结构,梯度纳米结构等方向做出了令人瞩目的原创性,引领性工作。近年来卢柯研究团队聚焦极限晶粒尺寸纳米金属的研究,力求在极限尺寸金属的制备,力学,物理及化学性能,结构-性能关系及稳定性规律上有所突破,实现金属材料的性能调控。代表性工作包括“晶界稳定性控制极小晶粒尺寸纳米金属的硬化及软化”,“纳米金属热稳定性的反常晶粒尺寸效应”,“极细多晶体铜中Schwarz受限晶体结构”,“在过饱和Al-Mg合金中利用Schwarz晶体抑制原子扩散”“利用稳定的晶界网络抑制纳米晶合金的蠕变”等。


文章信息


Zeng D, Li J, Shi Y, et al. Thermally-triggered grain boundary relaxation in a nanograined Ni-Mo-W alloy. Nano Research, 2023, https://doi.org/10.1007/s12274-023-6186-9.


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