Ученые создали 3D-карты сплавов нового поколения
Сплавы средней и высокой энтропии (М/ВЭА) — это специальные материалы, в которых элементы сочетаются примерно в равных количествах. Он служит новым способом разработки материалов в таких областях, как металлургия и катализ. Считается, что изменение расположения атомов в этих сплавах имеет решающее значение, но понять это расположение в трёх измерениях сложно. Обычные методы либо путают химический состав, либо дают размытое изображение.
Ученые из Калифорнийского университета предоставили беспрецедентную информацию о структуре и свойствах сплавов средней и высокой энтропии. Они использовали передовую технику визуализации, называемую атомно-электронной томографией, для картирования трехмерных координат атомов M/HEA. Это исследование представляет собой первый случай прямого наблюдения трехмерной ядерной системы.
В сплавах со средней энтропией сочетаются три или четыре металла примерно в равных количествах, а в сплавах с высокой энтропией — пять и более металлов аналогичным образом. В этом отличие от обычных сплавов, где один металл является основным, а остальные присутствуют в меньших количествах. Например, нержавеющая сталь в основном состоит из железа.
Теперь представьте себе кузнеца, делающего меч. Удивительно, но небольшие дефекты металла делают его прочнее. Когда кузнец нагревает стержень из мягкого металла до тех пор, пока он не начнет светиться, а затем быстро охлаждает его, эти недостатки накапливаются и превращают его в грозный меч. Ученые изучают, как применить эту идею к сплавам, содержащим несколько металлов.
Ученые сосредоточились на типе структурного дефекта, называемого двойной границей. Считается, что этот дефект является решающим фактором в уникальном сочетании твердости и пластичности сплавов средней и высокой энтропии.
Двойникование возникает, когда напряжение заставляет часть кристаллической матрицы изгибаться, в то время как окружающие атомы остаются на месте, создавая зеркальные изображения по обе стороны границы.
Ученые создали маленькие наночастицы, используя разные металлы. Шесть наночастиц представляли собой сплавы средней энтропии, содержащие никель, палладий и платину. Четыре из них представляли собой высокоэнтропийные сплавы с кобальтом, никелем, рутением, родием, палладием, серебром, иридием и платиной.
Создание этих сплавов похоже на сверхбыструю версию работы кузнеца. Они плавили металл при чрезвычайно высоких температурах за доли секунды, а затем быстро охлаждали его. Этот быстрый процесс привел к появлению двойниковых границ в шести из десяти наночастиц, причем в четырех из них присутствовала пара двойников.
Чтобы обнаружить эти дефекты, ученые использовали изобретенный ими специальный метод визуализации, называемый атомно-электронной томографией. Они использовали электроны, потому что детали атомного уровня намного меньше, чем длины волн видимого света. Этот метод предполагает получение нескольких изображений при вращении образца, что позволяет отображать данные в 3D.
Однако адаптация атомно-электронной томографии для картирования сложных смесей металлов оказалась трудным процессом, требующим точных модификаций.
Миу сказала: «Наша цель — найти истину в природе, и наши измерения должны быть максимально точными. Мы работали медленно, раздвигая границы возможного, чтобы сделать каждый шаг процесса как можно более совершенным, а затем переходили к следующему шагу».
Ученые точно нанесли на карту каждый атом в наночастицах со средней энтропией. Однако некоторые металлы в высокоэнтропийном сплаве были настолько похожи по размеру, что электронный микроскоп не мог отличить их друг от друга. В результате карта сгруппировала атомы по трем категориям.
Они обнаружили, что чем больше атомов разных элементов (или разных классов элементов) было смешано, тем больше вероятность того, что структура сплава изменится таким образом, что он станет одновременно твердым и гибким. Это открытие может быть полезно при создании средне- и высокоэнтропийных сплавов повышенной вязкости. Это может также раскрыть новые свойства, которые в настоящее время не встречаются в таких материалах, как сталь, открывая возможности для конструкционных сплавов с уникальными свойствами.
Соавтор Питер Эрциус, ученый из Молекулярного литейного завода Национальной лаборатории Лоуренса Беркли, Он сказал, «Проблема с изучением дефектных материалов заключается в том, что приходится рассматривать каждый дефект индивидуально, чтобы увидеть, как он влияет на атомы вокруг него. Атомная электронная томография — единственный метод, позволяющий сделать это. Удивительно, что мы можем видеть смешанные атомные мероприятия такого масштаба в рамках таких мелочей.
Ученые работают над новым методом визуализации, который сочетает в себе атомную электронную микроскопию с методом определения состава образца на основе испускаемых фотонов. Это нововведение направлено на различение металлов с атомами одинакового размера, преодолевая предыдущие проблемы.
Кроме того, ученые изучают способы анализа больших количеств сплавов средней и высокой энтропии, стремясь выявить фундаментальные связи между их структурой и свойствами. Эти разработки могут значительно улучшить наше понимание этих сплавов и открыть двери для новых возможностей в материаловедении.
Ссылка на журнал:
- Маннери С., Ян Ю., Дин Дж. и др. Трехмерная атомная структура и локальное химическое расположение наносплавов средней и высокой энтропии. Природа 624, 564–569 (2023). Цифровой идентификатор: 10.1038/s41586-023-06785-з