南京理工/河海大學《Acta Materialia》：中熵合金晶界遷移機制的原子尺度理解

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構；因此，納米晶材料的構型熵和振動熵要顯著高于其粗晶態，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動力，并且在高溫下容易發生熱不穩定和晶粒長大。即使在室溫下，納米晶純銅也會發生顯著的晶粒長大。而中/高熵合金通常展示出優異的熱穩定性，這通常被歸因于“遲滯擴散”和“嚴重晶格畸變”效應。在過去的二十年里，人們為提高納米晶材料的熱穩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結構等，這些方法均可以同時穩定納米晶結構并提高其機械強度。此外，通過動力學穩定策略固定晶界，如晶界處的溶質偏析可降低晶粒生長的驅動力；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構被認為是穩定的。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”效應都不應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（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-弛豫技術進一步確定了不同原子種類對晶界穩定性的貢獻。此外，Ti偏析和Ti-Fe有序化增加了晶界處原子結構重排的激活能壘，表明焓驅動的原子相互作用和配對是多主元合金晶界穩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中熵合金的晶界結構演變

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構演化

圖7.Co-Fe-Ni-Ti系中熵合金晶界遷移的溫度-遷移率關系

圖8.純金屬晶界遷移相關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的能量最小路徑與遷移機制

圖12.Co30Fe30Ni30Ti10中熵合金晶界結構重排事件相關的激活能圖譜

結語：

該研究以Co30Fe30Ni30Ti10中熵合金為例，對具有代表性的晶界結構的晶界遷移行為進行了全面的原子模擬。該研究挑戰了多主元合金的傳統理論觀點，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校基礎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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