Повышенная термическая стабильность в исследованных сплавах с добавками кобальта (0, 15 и 30 атомных процентов (ат.%)). a–c Типичные СЭМ-микрофотографии наночастиц в трех химически сложных сплавах, состаренных при 1000 °C в течение 240 ч, и их средний диаметр. d–f Эволюция среднего размера наночастиц в трех химически сложных сплавах, состаренных при 800, 900 и 1000 °C в течение разной продолжительности (24 ч, 72 ч, 168 ч и 240 ч). Авторы и права: Сяо Б. и др., Nature Communications (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-32620-6

Наночастицы использовались для разработки высокопрочных материалов для структурных применений. Но эти наночастицы часто термически нестабильны, что приводит к быстрому укрупнению в высокотемпературной среде.

Последнее исследование, проведенное учеными-материаловедами из Городского университета Гонконга (CityU), показало, что изменение концентрации кобальта в сплавах с высокой энтропией (также называемых химически сложными сплавами) может предотвратить быстрое укрупнение наночастиц при высоких температурах. Эта новая стратегия стабилизации открывает новый путь к созданию в будущем новых термически стабильных химически сложных сплавов для различных областей техники.

Технология упрочнения наночастицами — упрочнение сплавов путем добавления наночастиц в процессе легирования — считается мощной стратегией создания материалов с уникальными структурными и функциональными свойствами. Это широко применяется для создания инновационных высокопрочных материалов, таких как современные алюминиевые сплавы, стали и суперсплавы.

Но эти мелкие частицы в наномасштабе обладают плохой термической стабильностью и склонны к быстрому укрупнению при высоких температурах, что резко снижает несущую способность исходных материалов и, как следствие, приводит к их разрушению или другим катастрофическим отказам.

Чтобы преодолеть это препятствие, исследовательская группа под руководством ученых-материаловедов CityU недавно обнаружила, что адаптация концентрации кобальта может количественно управлять эффектом «медленной диффузии в решетке» высокоэнтропийных сплавов, существенно предотвращая быстрое укрупнение наночастиц при высоких температурах до 1000°С.

«Наши результаты открывают высокоэффективный путь для целенаправленной разработки высокоэффективных сплавов с превосходными термическими и механическими свойствами для высокотемпературных конструкционных применений», — сказал д-р Ян Тао из Департамента материаловедения и инженерии (MSE) в CityU, который руководил исследованием.

Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature Communications под заголовком «Получение термостабильных наночастиц в химически сложных сплавах посредством контролируемой медленной диффузии в решетке».

Рассчитаны основные коэффициенты взаимной диффузии элементов алюминия (Al), кобальта (Co), хрома (Cr), железа (Fe) и титана (Ti) в сплаве Ni59,9-xCoxFe13Cr15Al6Ti6B0,1 (ат.%). а–в 800 °С, 900 °С и 1000 °С. г–е Изменение отношения коэффициентов взаимной диффузии при увеличении содержания кобальта при 800 °С, 900 °С и 1000 °С. Авторы и права: Сяо Б. и др., Nature Communications (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-32620-6

Эффект медленной диффузии в решетке означает, что диффузия отдельных элементов в сплавах с более высокой конфигурационной энтропией происходит медленнее, чем в сплавах с более низкой конфигурационной энтропией. Это потенциально может наделить несколько высокоэнтропийных сплавов замечательной термической стабильностью. Но основной механизм эффекта медленной диффузии в решетке до сих пор неизвестен.

В этом исследовании, с помощью комбинации различных дополнительных экспериментальных методов и теоретического моделирования, исследовательская группа обнаружила, что кобальт может эффективно вызывать уникальный эффект медленной диффузии в решетке в системе сплава никель-кобальт-железо-хром-алюминий-титан (NiCoFeCrAlTi) за счет уменьшение коэффициента взаимодиффузии (параметр, описывающий подвижность атомов в материале) других элементов. Они обнаружили, что повышенные концентрации кобальта могут существенно уменьшить средний размер частиц и дополнительно улучшить термическую стабильность этих наночастиц.

Кроме того, подбор концентрации кобальта привел к значительному снижению коэффициентов взаимной диффузии всех основных составов высокоэнтропийных сплавов, особенно алюминия, при 800°С.

Стратегия управляемой медленной диффузии в решетке, разработанная исследовательской группой, позволяет создавать сверхстабильные наноструктуры в системах сплавов с высокой энтропией при температуре от 800 до 1000°C.

«Мы обнаружили новый механизм стабилизации наночастиц, который резко отличается от общепринятого мнения о том, что стабилизация наночастиц достигается путем добавления тугоплавких элементов, таких как рений», — пояснил доктор Ян.

«Эта новая стратегия может в дальнейшем направить разработку новых химически сложных сплавов с превосходной микроструктурной стабильностью и потенциально применяться к другим металлическим сплавам. Это открывает путь к разработке прочных высокоэнтропийных сплавов следующего поколения, которые можно использовать в экстремальных , высокотемпературная среда в различных областях техники, таких как аэрокосмическая промышленность, автомобильный дизайн и атомная энергетика», — сказал он.