高熵合金中化學中程有序結構的研究進展
高熵合金是基于多個主要金屬元素設計思路得到的一種合金材料，迄今一直在關注一個基本的問題，即在微觀結構方面，高熵合金與傳統合金相比究竟有什么不同。材料科學研究的一個核心內容是結構與性能的關系，這個關系在高熵合金中變得復雜起來，這是由于局域發生的焓的漲落與焓的交互作用，形成了原子尺度的成分與結構，包括化學成分濃度波、化學短程有序與點陣畸變等。現在看來，高熵合金中至少一個明確與傳統合金不同的是形成了化學短程有序結構，很快引出了新的思考，即短程有序是否長大？高熵合金中長程有序結構(例如B2和等金屬間化合物) 是否就是這些短程有序發展而來的？注意到，最/次近鄰原子層短程有序的尺度范圍在亞納米尺度，并沒有點陣周期性，短程有序更像是一個化學結構基因，不知道它會生長成什么樣子，因而無法從短程有序直接過渡到長程結構。我們猜想，在短程與穩定的長程結構之間，應該存在一個在尺度上比短程大、但已具有明確晶體周期性的過渡結構，稱之為化學中程有序 (Chemical Medium-Range Order, CMRO)，雖然還從未在高熵合金中提出過化學中程有序結構的概念。發現并證實中程有序結構的存在，有助于更進一步理解高熵合金中本征的原子尺度微結構、特別是局部化學有序及其演化過程。
近日，中國科學院力學研究所武曉雷研究組針對面心立方結構基體和體心立方B2有序析出相的兩相Al9.5CrCoNi高熵合金，利用原子尺度觀察與分析，包括選區與能量過濾電子衍射、暗場成像以及原子尺度分辨的化學成分分析等，在面心立方結構基體中發現并證實了化學中程有序結構。相關論文以題為“Chemical medium-range order in a medium-entropy alloy”于2022年2月23日在線發表在期刊Nature Communications上。
他們觀察到在[112]和[013]兩個晶體學取向的位置，中程有序結構引起的超點陣衍射，這與其它中高熵合金中短程有序衍射的位置相同，但衍射從短程有序大直徑的暈圓變成了一個斑點，斑點的衍射強度非常弱，遠小于基體斑點的強度。同時，中程有序與短程有序結構是共存的，中程有序與短程有序具有相同的型原子有序占位構型，并沒有觀察到的長程結構與B2的短程有序。這些結果表明中程有序是正在長大的短程有序，但與長周期B2的體心立方結構不同。在拉伸變形前后，中程有序的平均晶粒尺寸與體積分數基本沒有發生變化，這表明中程有序是非常穩定的。
證實中程有序對于從原子尺度上理解高熵合金的微結構形成及其演化具有重要意義。相比短程有序，中程有序結構更有效地與位錯相互作用，實現強化與應變硬化。研究人員提倡基于化學有序的中高熵合金設計策略，通過形成并調控化學有序來提升綜合力學性能。
論文的第一作者為非線性力學國家重點實驗室王晶助理工程師，合作者包括姜萍助理研究員，以及袁福平和武曉雷研究員。本研究得到國家重點研發計劃、基金委基礎科學中心項目和中國科學院B類先導專項的資助。
全文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-28687-w
