Acta Mater.： Mn+1AXn相在離子輻射誘導階段轉變時X和n因子的作用

編輯部實習生 6年前 (2017-11-15) 3302瀏覽

【引言】

M_n+1AX_n, 三元層狀的碳化物或氮化物由于其優異的性能引起廣泛關注。其中M代表過渡元素, A代表ⅢA或ⅣA族元素, X代表C元素或N元素, n=1、2或3。根據n值分別取1、2、3,則M_n+1AX_n可以分為3個系列:211系,如Ti₂SC;312系, 如Ti₃SiC₂; 413系, 如Ti₄AlN₃。本文從M_n+1AX_n相 (Ti₂AlN, Ti₂AlC, 和 Ti₄AlN₃)出發, 利用離子輻射, 研究了其相誘導轉變過程。

【成果簡介】

北京大學教授王宇鋼通過TEM和GIXRD顯微鏡觀測, 發現密排六方結構(hcp)中由1 MeV Au⁺離子輻射發生相誘導轉變從而生成 M_n+1AX_n相(本文主要研究Ti₂AlN, Ti₂AlC和 Ti₄AlN₃)。并且在一系列離子影響下, 觀測到每平方厘米里面有1×10¹⁴ 到 2×10¹⁶ 個離子。并且通過TEM圖像和選區分析(SAED)觀測到輻射后結構發生誘導轉變的進化過程。經過所得相圖像的相互對比和EDP的模擬, 對于相轉變中的原子尺度機制已經進行定義。離子輻照引起的Ti/Al反位缺陷和擴展位錯的形成, 導致了初始的hcp在誘導階段中, 中間相γ-相向fcc相的轉變。在同樣輻射條件下的Ti₂AlC與Ti₄AlN₃的形成行為進行實驗數據和第一性原理計算進行比較。在輻射條件中M_n+1AX_n相中X和n 的數值變化對其轉變行為過程進行了深度闡述。相對于輻射發生誘導轉變, 金屬在Ti-Al-X (X=C, N)體系中的脆斷機制(根據其成鍵特點和MAX相的組成), Ti₂AlC相比較于Ti₂AlN(由于比較強的Ti-Al 共價鍵結合, Ti₄AlN₃ 相對于輻射誘導相的轉變比Ti₂AlN更有抵抗外界的能力)的輻射誘導相轉變來講有輕微的不敏感性。在輻射誘導固體溶解相中, 由于低Al含量和低陰離子空缺率, 所以Ti₄AlN₃相比Ti₂AlN相更具有抵抗輻射誘導相轉變的能力。

該成果以“Role of the X and n factors in ion-irradiation induced phase transformations of M_n+1AX_n phases”為題于2017年11月4日發表Acta Materialia在上。

【圖文導讀】

表1.面心立方結構 (Ti2AlN, Ti4AlN3和TiN）的單胞參數

圖1. 毀壞階段每個原子替換的側面深度描繪(dpa)與通過1MeV Au⁺離子輻射下離子集中移植誘導反應在Ti2AlN, Ti2AlC 和Ti4AlN3在1×10¹⁶ cm^-2中由 SRIM所測所得數據

圖2.晶胞中的原子晶格配置, HRTEM圖像和相關的SEAD圖像(a-g是Ti2AlN，n-h是Ti4AlN3)。

電子入射方向平行于（11-20）方向和（1-100）方向的圖像分別位于HRTEM圖像的最上方和最下方。Ti 和 Al的陽離子在 Ti2AlX(X=C, N) 平行于（0001）上按原子順序ABABAB排好, 在此堆垛序中Al原子由下劃線表示出來。希臘字母代表陰離子。

圖3.原始與輻射后的Ti2AlN(a), Ti2AlC (b) 和 Ti4AlN3 (c)在范圍從1×10¹⁴ cm^-2to 2×10¹⁶ cm^-2不同影響下的代表GIXRD 圖像

隨著影響因素的增加，對于所有初始相在強度上和光譜范圍內的最大相關衍射表明其從hcp到fcc的轉變。圖中，藍色三角形代表與中間γ-Ti₂AlN相相一致的頂點，紅色圓形代表 fcc面心立方相。

圖4. 計算 ?(a) Ti₂AlN和(b) Ti₂AlC所得態密度和部分態密度。

所標綠線表示費米能級處的態密度（DOS）。

圖5. Ti₂AlN (a-d), ?Ti₂AlC (e-h) 和Ti₄AlN₃ (i-l) 在1 MeV Au⁺在1×10¹⁴cm^-2(a, e, and i), 1×10¹⁵ cm^-2 (b, f, and j), 1×10¹⁶cm^-2 (c, g, and k), and 2×10¹⁶ cm^-2 (d, h, and l)的輻射SAED 圖像（以上幾種圖像都是由電子入射光平行于(11-20), 綠色箭頭代表了新fcc結構的散點，紅色箭頭代表著(-1100)上的重要衰變散射點）。