UAB 通過(guò)成像和模擬洞察 3D 打印納米層狀高熵合金中的高壓相變

2024年8月28日，南極熊獲悉，來(lái)自阿拉巴馬大學(xué)伯明翰分校 (UAB) 的研究人員通過(guò)使用高分辨率成像和計(jì)算機(jī)模擬方法在3D 打印納米層狀高熵合金（EHEA）中的高壓相變探索方面取得了新的進(jìn)展。

相關(guān)研究以題為“High-pressure phase transition in3-D printed nanolamellar high-entropy alloy by imaging and simulation insights”的論文發(fā)表在《科學(xué)報(bào)告》上。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41598-024-67422-x

為了生產(chǎn)出更適合人類在極端環(huán)境下使用的材料，CAMCSE采用高分辨率電子顯微鏡對(duì)增材制造的 EHEA Ni40Co20Fe10Cr10Al18W2中壓力誘導(dǎo)的 BCC 到 FCC 相變進(jìn)行成像。通過(guò)將樣品壓縮到超過(guò) 9 GPa 的臨界相變壓力，然后將其恢復(fù)以進(jìn)行詳細(xì)的成像分析。此外，還進(jìn)行了非平衡 MD 模擬，以探索 BCC 到 FCC相變的潛在機(jī)制。

圖1 打印后的EHEA的結(jié)構(gòu)和形貌：拋光和鎵離子蝕刻樣品表面的背散射 SEM 圖像( A )、顯示具有鮮明對(duì)比度的兩個(gè)相的樣品的 HAADF STEM 圖像 ( B )、具有兩個(gè)相的區(qū)域的放大明場(chǎng) TEM 圖像 ( C )、從區(qū)域 1 ( D ) 和區(qū)域 2 ( E ) 采集的 SAED 圖案（在面板 C 上突出顯示）分別顯示存在 FCC 和 FCC + BCC 相，以及分別具有 (111) 和 (110) 方向的 FCC/BCC 相界面的高分辨率 HAADF STEM 圖像 ( F )。

圖2 EHEA在金剛石壓砧中的 X 射線衍射圖( a ) 在環(huán)境條件下顯示 BCC 和 FCC 相，( b ) 顯示完全轉(zhuǎn)變?yōu)?FCC 相，( c ) 在 30.6GPa 下顯示 FCC 相在最高壓力下的穩(wěn)定性，以及 ( d) 減壓至環(huán)境壓力后顯示 FCC 相的保留。紅色符號(hào)標(biāo)記BCC 峰，而 FCC 用藍(lán)色符號(hào)標(biāo)記。壓力通過(guò)紅寶石熒光技術(shù)測(cè)量。

圖3 壓縮EHEA樣品的結(jié)構(gòu)和形貌：樣品層壓區(qū)域的 BF TEM 圖像 ( A)、從該區(qū)域獲取的 SADP ( B ) 以及從 SADP 獲得的輪廓 ( C )。

圖4 壓縮EHEA的結(jié)構(gòu)：樣品的 HAADF STEM 圖像顯示兩個(gè)相（A ），從圖 A 上突出顯示的區(qū)域 1（ B）和區(qū)域 2（C ）獲取的納米衍射圖案顯示兩個(gè)相中都存在 FCC，并且在兩個(gè) FCC 相的界面處拍攝的高分辨率 BF STEM 圖像（D）。

圖5 雙相模型中相變演變的原子級(jí)模擬。( A ) 初始狀態(tài)、( B ) 壓縮至13 GPa、( D ) 130 GPa、( E ) 減壓至 13 GPa 和 ( F ) 減壓至0 GPa 時(shí)的原子結(jié)構(gòu)。( C ) BCC 向 FCC 轉(zhuǎn)變過(guò)程中初始 BCC 相和轉(zhuǎn)變后的 FCC 相之間的相對(duì)取向。( G – I ) ( G ) 初始狀態(tài)、( H ) 130 GPa 和 ( I ) 0 GPa時(shí)的化學(xué)映射。

圖6 當(dāng)壓力降至 0 GPa 時(shí)，BCC 相穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)變形態(tài)復(fù)雜性對(duì) BCC 到 FCC 恢復(fù)的影響。（A– C）顯示了 130 GPa 下的 FCC 形態(tài)，具有完美的 FCC 結(jié)構(gòu)，（B）具有孿晶，（C）具有分級(jí)孿晶。（D）顯示了壓力降至 0 GPa 后的結(jié)構(gòu)。已經(jīng)研究并展示了四個(gè)系統(tǒng)，包括 Fe 0.2 Ni 0.8、FeCuNi、Fe 0.8 Ni 0.2和 Fe。

研究并展示了四個(gè)系統(tǒng)，包括 Fe 0.2 Ni 0.8、FeCuNi、Fe 0.8 Ni 0.2和 Fe。

尤格什·沃赫拉 (Yogesh Vohra) 是阿拉巴馬大學(xué)物理系教授，也是藝術(shù)與科學(xué)學(xué)院研究與創(chuàng)新副院長(zhǎng)，也是極端條件下增材制造復(fù)雜系統(tǒng)中心 (CAMCSE) 的首席研究員。Vohra 表示，發(fā)表論文的重點(diǎn)是3D 打印高熵合金具有高強(qiáng)度和延展性的根本結(jié)構(gòu)原因。他說(shuō)：“值得注意的是，晶體結(jié)構(gòu)在高壓下的變化可能會(huì)影響 3D 打印合金的機(jī)械性能。本文中的電子顯微鏡研究意義重大，因?yàn)樗�首次證實(shí)了納米結(jié)構(gòu)層狀結(jié)構(gòu)在暴露于壓力后得以保持，并且各個(gè)層的化學(xué)成分沒(méi)有變化�！�

這項(xiàng)研究探索了3D 打印材料在極端壓力、溫度以及高速?zèng)_擊或沖擊壓縮下的表現(xiàn)，將有助于增材制造材料的設(shè)計(jì)發(fā)展，用于航空航天和發(fā)電廠的極高溫度、超高速撞擊下的彈性結(jié)構(gòu)以及核反應(yīng)堆的高輻射環(huán)境。

Vohra 表示，他對(duì) CAMCSE 的這一進(jìn)展感到興奮，因?yàn)樗�代表了�?duì)高壓引起的晶體結(jié)構(gòu)變化理解的進(jìn)步，并強(qiáng)調(diào)了合作的重要性。“這篇論文代表了四所不同學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)在極端條件下應(yīng)用于 3D 打印超級(jí)合金的集體專業(yè)知識(shí)，”他說(shuō)�！翱缈茖W(xué)和工程學(xué)科合作解決一個(gè)共同問(wèn)題是 CAMCSE 的一項(xiàng)顯著成就，同時(shí)為 UAB 研究生提供了培訓(xùn)機(jī)會(huì)�！�

CAMCSE 有四個(gè)學(xué)術(shù)合作伙伴，包括馬薩諸塞大學(xué)阿默斯特分校、斯坦福大學(xué)、加州大學(xué)歐文分校和塔斯基吉大學(xué)。