近日，南京理工大學材料學院趙永好教授團隊在《Acta Materialia》在線發(fā)表了題為“Atomistic insights into grain boundary migration in a Co30Fe30Ni30Ti10medium-entropy alloy”（Co30Fe30Ni30Ti10中熵合金晶界遷移的原子論見解）的研究論文。南京理工大學納米異構(gòu)材料中心的王露凌博士為論文的獨立第一作者。南京理工大學與河海大學為論文的共同通訊單位。趙永好教授和曹陽教授為論文共同通訊作者。

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

納米晶材料具有大量的晶界，而晶界具有低原子堆積密度和無序的原子結(jié)構(gòu)；因此，納米晶材料的構(gòu)型熵和振動熵要顯著高于其粗晶態(tài)，其吉布斯自由能也更高。納米晶材料通常具有很強的晶界遷移自驅(qū)動力，并且在高溫下容易發(fā)生熱不穩(wěn)定和晶粒長大。即使在室溫下，納米晶純銅也會發(fā)生顯著的晶粒長大。而中/高熵合金通常展示出優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，這通常被歸因于“遲滯擴散”和“嚴重晶格畸變”效應(yīng)。在過去的二十年里，人們?yōu)樘岣呒{米晶材料的熱穩(wěn)定性付出了巨大的努力。例如，在納米晶材料中引入低能量界面，如：小角晶界、共格孿晶界、Schwarz結(jié)構(gòu)等，這些方法均可以同時穩(wěn)定納米晶結(jié)構(gòu)并提高其機械強度。此外，通過動力學穩(wěn)定策略固定晶界，如晶界處的溶質(zhì)偏析可降低晶粒生長的驅(qū)動力；第二相顆粒釘扎（Zener 釘扎）也是抑制晶粒生長的重要手段。從遲滯擴散的角度來看，中熵和高熵合金中的納米結(jié)構(gòu)被認為是穩(wěn)定的。然而，最近的一些研究提出了不同的觀點。例如，有研究表明：CoCrFeMn0.5Ni高熵合金在高溫（873~1323 K）下的擴散系數(shù)高于鋼和一系列純金屬。此外，在實驗中，當涉及氧化物和碳化物等二次相顆粒對晶界施加釘扎時，幾乎不可能確切地評估基體晶界的本征穩(wěn)定性。在這種情況下，需要進行可比的研究來闡明中/高熵合金熱穩(wěn)定性的起源。

針對上述科學問題，該研究以Co30Fe30Ni30Ti10中熵合金為模型材料，通過詳實的原子模擬調(diào)查了影響其晶界遷移的因素。這項研究表明：“遲滯擴散”和“嚴重晶格畸變”效應(yīng)都不應(yīng)該被先入為主地視為抑制晶界遷移的主要因素。而實際上，晶界遷移可以被能量上有利的原子種類（例如，本研究中的Ti）有效抑制。通過計算晶界遷移過程中的最小能量路徑，本研究確定了不同系統(tǒng)（純金屬，隨機固溶的Co30Fe30Ni30Ti10中熵合金和具有晶界偏析的Co30Fe30Ni30Ti10中熵合金）之間晶界遷移行為的差異。重要的是，通過先進的激活-弛豫技術(shù)進一步確定了不同原子種類對晶界穩(wěn)定性的貢獻。此外，Ti偏析和Ti-Fe有序化增加了晶界處原子結(jié)構(gòu)重排的激活能壘，表明焓驅(qū)動的原子相互作用和配對是多主元合金晶界穩(wěn)定性提高的主要原因。

圖1.Co30Fe30Ni30Ti10中熵合金晶格畸變與短程有序的量化

圖2.納米晶Co30Fe30Ni30Ti10中熵合金晶界偏析能譜

圖3.雙晶Co30Fe30Ni30Ti10中熵合金晶界偏析能譜與多晶偏析能譜的比較

圖4.不同溫度下Co30Fe30Ni30Ti10中熵合金的晶界結(jié)構(gòu)演變

圖5.高溫下Co30Fe30Ni30Ti10中熵合金的晶界擴散行為

圖6.高溫下Co30Fe30Ni30Ti10中熵合金的晶界遷移速度和結(jié)構(gòu)演化

圖7.Co-Fe-Ni-Ti系中熵合金晶界遷移的溫度-遷移率關(guān)系

圖8.純金屬晶界遷移相關(guān)的能量最小路徑與遷移機制

圖9.隨機固溶的Co30Fe30Ni30Ti10中熵合金晶界遷移相關(guān)的能量最小路徑與遷移機制

圖10.隨機固溶的Co-Fe-Ni-Ti系中熵合金晶界遷移能壘Eb和晶界能EGB的關(guān)系

圖11.具有Ti晶界偏析和化學短程有序的Co30Fe30Ni30Ti10中熵合金晶界遷移相關(guān)的能量最小路徑與遷移機制

圖12.Co30Fe30Ni30Ti10中熵合金晶界結(jié)構(gòu)重排事件相關(guān)的激活能圖譜

結(jié)語：

該研究以Co30Fe30Ni30Ti10中熵合金為例，對具有代表性的晶界結(jié)構(gòu)的晶界遷移行為進行了全面的原子模擬。該研究挑戰(zhàn)了多主元合金的傳統(tǒng)理論觀點，并且提出：多主元合金的晶界遷移由原子間焓交互作用所主導，其通過影響材料的本征能量路徑來控制晶界遷移。這些見解強調(diào)了化學復雜性對多主元合金晶界遷移的深遠影響，并深化了對其中關(guān)鍵熱力學與動力學因素的理解。上述工作得到了國家自然科學基金項目，江蘇省自然科學基金項目以及中央高�；A(chǔ)研究基金項目等資金的支持。

本文來自“材料科學與工程”公眾號，感謝作者團隊支持。

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