日前，伟德bv1946官网鄭偉濤教授研究團隊在高熵合金研究領域取得重要進展，采用原子剪裁策略合成了一種新形态的高熵合金-次晶高熵合金，其完全由中程有序（MRO）結構（作為次晶基本單元）組成，該新型結構既能大幅強化合金又能開啟近均勻塑性變形行為。相關研究成果以“Pt-induced atomic-level tailoring towards paracrystalline high-entropy alloy”為題，于2023年2月11日在《自然通訊》（Nature Communications）雜志上在線發表。
與傳統金屬玻璃類似，高熵金屬玻璃在承受塑性變形時易開啟局域剪切模式，從而遭受災難性破壞。由于中程有序（MRO）結構與金屬玻璃中承載塑性流動的剪切轉變區尺寸相當，引入結晶MRO已成為一種有效途徑去誘導均勻塑性流動并提升力學性能。因此，能充分利用結晶MRO優勢的次晶态——完全由結晶MRO堆垛組成，但材料又未表現出長程有序（LRO）——在合金材料設計和性能開發上具有極大潛力。雖然次晶态已在金剛石系統中通過高溫高壓方法成功制備，但是對于金屬系統中常見的熱力學控制結晶過程而言，在金屬玻璃中實現均勻且尺寸可控的納米晶（1-2nm）沉澱以實現次晶态仍是一個巨大的挑戰。針對這一難題，鄭偉濤教授團隊文懋教授與張侃教授⏭➰，為次晶态高熵合金的制備提出了一種新的合成方法，實現人為調控高熵家族的結晶MRO結構，并為力學優化提供更多可能性。
研究團隊以大晶格畸變的Zr-Nb-Hf-Ta-Mo高熵合金為模型材料，随後利用磁控共濺射自下而上的生長特征将具有大且負混合焓的Pt原子連續并均勻地引入Zr-Nb-Hf-Ta-Mo 高熵合金生長前沿。當高負焓遇到固有的嚴重晶格畸變時，晶内Pt原子将擾亂臨近原子配位并形成有利的Pt-Zr原子對，觸發Pt原子周圍的局部非晶化，将原始長程有序的高熵晶粒在原子尺度上分割成次晶單元。本研究提出利用“高負混合焓+高晶格畸變”誘導局域無序團簇的原子尺度剪裁策略，将結構拓撲有序的過渡族重金屬高熵合金裁剪為由亞納米尺度次晶為結構單元的新型高熵次晶結構，實現了亞納米尺度下結構拓撲與化學組元同時異質調控，該次晶納米序構架起了納米晶與非晶之間的橋梁，使材料在負載過程中既抑制了晶體材料的位錯行為又避免了非晶材料的強局域剪切變形行為，實現了宏觀尺度下離域納米級類剪切的均勻塑性變形行為，硬度和壓縮強度提高一倍和69.2%的同時，極限塑性變形量大幅提高，為強韌一體化的高熵合金設計提供了全新的設計思路。
圖1. 從嚴重扭曲的HEA到次晶HEA的結構演化的設計策略和實驗特征說明。a, b，所選元素的原子尺寸和混合焓，用于設計HEA中所需的次晶結構。(b)中的灰色和藍色虛線分别表示組成元素之間的零和近零的混合焓值。(b)中的紅線表示Pt和其他元素之間相對更大且更負的混合焓。c,“原子級剪裁”過程示意圖，在外來Pt原子的驅動下，誘導的無序基團将嚴重扭曲的晶體結構分離成以晶體中程有序（MRO）為主的次晶結構（标記為粉色方框）。圖中未顯示無序基團中的原子鍵。d, e，分别為嚴重變形的Zr16Nb14Hf22Ta23Mo25 HEA和次晶Zr15Nb14Hf22Ta22Mo24Pt3 HEA的HRTEM圖像。Zr16Nb14Hf22Ta23Mo25 HEA中的黃色圓圈标識出晶格畸變。(d)和(e)中的插圖是相應的FFT模式。f, g，對應于(h)中藍色和綠色正方形（1.452×1.452 nm2）的FFT圖案，以及從對應的晶格條紋導出的具有約90°夾角的清晰亮點，表明存在結晶MRO圖案。h, （e）中放大的HRTEM（标記為粉色正方形）和相應的反傅裡葉圖像表明，普遍存在且可辨别的晶體MRO基序被無序的基團（标記為白色圓圈）分隔開。
圖2 . Zr16Nb14Hf22Ta23Mo25和Zr15Nb14Hf22Ta22Mo24Pt3 HEA中的像差校正TEM成像和元素分布圖。a-d，Zr16Nb14Hf22Ta23Mo25 HEA的原子分辨率HAADF圖像和相應的水平正應變（εxx）、垂直正應變（εyy）和剪切應變（εyx）的原子應變圖，表明了嚴重的晶格畸變。e， 反傅裡葉（IFFT）圖像，對應于（a）中黃色正方形的面積，表明刃型位錯的Burgers回路（标記為“⊥”，所涉及的原子用黃色圓圈标記）。f， Zr16Nb14Hf22Ta23Mo25 HEA的原子級HAADF圖像，以及Zr、Nb、Hf、Ta和Mo的單個元素的EDS圖，顯示了每個組成元素的相對均勻分布。g， 對于Zr15Nb14Hf22Ta22Mo24Pt3 HEA，五種組成元素（Zr、Nb、Hf、Ta、Mo）疊加EDS圖、Pt元素的單獨EDS圖以及相同位置的Zr和Pt元素疊加EDS圖。白色正方形标記的有序原子排列總是位于無Pt區域，而黃色圓圈标記的無序基團與Pt原子的存在密切相關；白色小圓圈也揭示了有序簇的存在。Pt和Zr原子傾向于出現在相同的位置，表明形成了富含Pt-Zr的無序基團。h， Zr、Nb、Hf、Ta、Mo和Pt的單個元素的更大分辨率EDS圖。白色方塊表示Pt-Zr耗盡的有序區域。
圖3. Zr-Nb-Hf-Ta-Mo HEA與其他含Pt的HEA的力學性能比較。a， 三種HEA（Pt-0 at.%、Pt-3 at.%、Pt-31 at.%）的硬度結果。具有次晶結構的Pt-3 at.% HEA顯示出優異的硬度。誤差條表示标準偏差。b-d，壓痕的橫截面輪廓，沿着相應插圖的彩色線（紅色和藍色三角形分别表示輪廓的開始和結束）。在Pt-31 at.%多層非晶HEA中出現了與剪切帶相對應的大量偏移（由箭頭标記）和壓痕周圍的大堆積高度，這些偏移在Pt-3 at.%次晶HEA上是不可見的。e， 三種HEA（Pt-0 at.%、Pt-3 at.%、Pt-31 at.%）的壓縮工程應力-應變曲線。曲線中的彈出事件用黑色箭頭标記。f-h，分别為變形的Pt-0 at.%、Pt-3 at.%和Pt-31 at.% 微柱的SEM圖像。變形微柱上的表面偏移由黃色箭頭标記。
伟德bv1946官网博士研究生何星嘉為論文的第一作者，文懋教授、張侃教授和鄭偉濤教授為論文的共同通訊作者。該研究得到國家自然科學基金（51871109、 51672101和51972139)）的資助。
文章鍊接：
https://www.nature.com/articles/s41467-023-36423-1
