Acta Mater.：Ni/Al活性多層焊接片中在低指數Ni表面的NiAl金屬間化合物外延生長

【引言】

自從加工得到第一個Ni/AL納米焊接片以來，活性多層焊接片(RMNF)憑借其極特殊的性質逐漸引起廣泛關注。這些活性多層納米焊接片是由數以百計的金屬薄層組成，厚度在4~100nm不等。合金化反應在樣品的某個邊緣產生后，會以自保持的方式持續反應。由于過程本身放熱，不需要其他的熱量供應。該反應可以在相對低的溫度下開始，和金屬粉末混合物中的相同反應相比，反應速度更快。因此，活性多層焊接片一般用于材料連接領域或作為含能材料使用。

【成果簡介】

近日，法國勃艮第大學的F.Baras教授在Acta Materialia上發表最新研究成果“Epitaxial growth of the intermetallic compound NiAl on low-index Ni surfaces in Ni/Al reactive multilayer nanofoils”。文章通過分子動力學模擬對Ni-Al焊接片自蔓延反應的晶體生長展開相關研究。以(001)、(101)、(111)這三個低指數的Ni表面為例，探究在Ni的界面出混合和合金化的過程中，NiAl的不均勻外延生長情況。顯微結構的演化沿晶粒取向動力學的軌跡進行。在所有的實例中，基于Ni和NiAl單胞之間的關系建立的簡單幾何構型，來解釋晶體生長特征。形核過程和生長動力學均有研究。本項工作證明晶體生長根據Ni的不同取向會產生較大差異。

【圖文導讀】

圖1：活性多層納米焊接片中自保持前沿的示意圖。預熱區由交替排列的反應物組成，補燃區充滿了NiAl晶粒。

圖2：層狀NiAl體系的分子動力學模擬圖示。

(a)模擬系統的原始構型，一個Al薄片位于兩個Ni層之間，模擬盒子尺寸為L_x =L_y =13.6nm, L_z =22.3nm。該系統由316602個原子組成；

(b)t = 20ns時的系統快照，選取位置在更低的界面附近。

圖3：固態Ni的三個不同的表面取向（頂視圖）。

圖4：在Ni的(001)界面(a)和(111)界面(b)處，NiAl的晶粒取向直方圖。

圖5：NiAl在界面處外延生長的示意圖。

圖6：NiAl單胞對應的立方體。

圖7：模擬得到的Ni-[001]基底的選區電子衍射表征分析。

(a)模擬得到的系統在z方向坐標為65到105部分的選區電子衍射圖(SAED)；

(b)計算得到的Ni-[001]基底衍射圖和NiAl-[101]四個取向的疊加。

圖8：模擬得到的Ni-[111]基底的選區電子衍射表征分析。

(a)模擬得到的系統在z方向坐標為65到105部分的選區電子衍射圖(SAED)；

(b)計算得到的Ni-[111]基底衍射圖和NiAl-[101]六個取向的疊加。

圖9：在Ni（110）面上NiAl的外延生長示意圖。

(a)Ni原子的排列方式圖示;

(b)Ni原子相對參考平面發生輕微位移，其上一層的相鄰平面處，NiAl單胞置于(110)Ni界面處。

圖10：模擬得到的Ni-[110]基底的選區電子衍射表征分析。

(a)模擬得到的系統在z方向坐標為65到105A ?部分的選區電子衍射圖(SAED)；

(b)計算得到的Ni-[110]基底衍射圖和已發生晶化的NiAl晶粒的疊加。

圖11：在形核和生長過程中，不同時間的系統快照。

圖12：反應過程中，不同時間下，界面上下的原子排列情況。

(a)界面以下的系統切片快照，在混合過程開始后立即取樣；

(b)界面以上的系統切片快照，在NiAl相晶化后(t=40ns)；

(c)已晶化區域以上的液相區切片快照。

圖13：Ni基底取向對形核和長大的影響。

(a)對界面的三個不同取向，在更低界面處bcc原子數量隨時間變化情況；

(b)界面處bcc原子的晶粒數隨時間變化情況。

【結論】

在Ni-Al納米焊接片中的自蔓延高溫合成可導致界面處形成NiAl金屬間化合物。所得的顯微結構是被晶界分開的多取向晶粒集合體。這是富Ni樣品的典型特征，在固液界面上觀察到形核現象。本工作的側重點在于控制晶粒取向的重要作用。作者考慮了固態Ni界面的三個低指數取向，通過分子動力學模擬對晶粒形核生長情況展開表征分析。除了對分子動力學模擬結果的分析，作者還提供了轉變的完整表述，并對觀測結果給出了簡潔的幾何學解釋。最終，結果顯示Ni基底的取向在形核和生長方面發揮著重要作用。對該產物進行織構分析的特殊工具也可以進一步發展應用于NiAl金屬間化合物的表征。分子動力學模擬過程中，更一般地，這些工具可以用于繪制生成相晶體學取向的圖譜。

文獻鏈接：Epitaxial growth of the intermetallic compound NiAl on low-index Ni surfaces in Ni/Al reactive multilayer nanofoils（Acta Mater., 2018, DOI：10.1016/j.actamat.2018.01.035）

本文由材料人計算材料組Isobel供稿，材料牛整理編輯。

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