普渡大學張星航團隊Sci. Adv.：具有室溫變形能力的高強度納米金屬間化合物

【引言】

B2有序金屬間化合物通常具有高強度、高熔點、低密度、良好的導熱性和出色的抗氧化性。然而，它們在室溫下的極端脆性限制了其作為實際結構材料的應用。由于缺乏獨立滑移系，大多數B2金屬間化合物（CoAl和NiAl）本質上是脆性的。已知一種新材料家族IVa-VIII金屬間化合物，包括YAg、YCu、DyCu和CeAg，在室溫下可以承受超過10%的拉伸應變。然而，它們的高成本和低屈服強度（100至200?MPa）使它們不能用作結構材料。為了改善B2金屬間化合物（NiAl、FeAl和CoAl）的可塑性，已經進行了廣泛的研究，但成效有限。與已有研究的B2 NiAl相比，CoAl金屬間化合物盡管具有更高的強度和相似的熔點，但由于其在室溫下的延展性較差而沒有引起人們的重視。迄今為止，報告的CoAl合金通常晶粒尺寸為幾十微米，屈服強度小于2 GPa。富含鈷的CoAl（如Co₇₂Al₂₈）在室溫下的壓縮應變略有改善。具有B2和L1₂相的CoAlNiTi合金似乎具有百分之幾的拉伸延展性。帶有B2和E2₁相的CoAlC在室溫下也有一些拉伸延展性。盡管先前的研究在某些情況下改善了室溫可塑性，但CoAl復合材料的機械強度明顯下降，在室溫下僅有幾百兆帕。

【成果簡介】

近日，在美國普渡大學張星航教授團隊等人帶領下，報告了一種以前未被發現的具有富鈷厚晶界（GBs）的可變形的納米CoAl金屬間化合物。原位微柱壓縮研究表明，厚GBs的納米晶CoAl表現出超高的屈服強度，超過4.5?GPa。出乎意料的是，納米晶CoAl金屬間化合物也表現出突出的加工硬化，在流動應力為5.7?GPa時，壓縮應變達到20%。透射電子顯微鏡研究表明，在厚GBs的CoAl晶粒內部，變形誘發了豐富的位錯，從而適應可塑性變形。分子動力學模擬顯示，富鈷厚GBs在促進Co/CoAl界面處位錯的成核方面發揮了重要作用，從而提高了金屬間化合物的可塑性。該研究為通過引入厚GBs來促進金屬間化合物的可塑性提供了一個思路。該成果以題為“High-strength nanocrystalline intermetallics with room temperature deformability enabled by nanometer thick grain boundaries”發表在了Sci. Adv.上。

【圖文導讀】

圖1 納米晶Co₅₀Al₅₀和Co₆₀Al₄₀的微觀結構

（A-D）納米晶Co₅₀Al₅₀的TEM、STEM顯微圖和EDS圖。（A,B）TEM和STEM顯微圖顯示CoAl納米顆粒之間的清晰晶界。（C,D）EDS圖顯示Al（紅色）和 Co（綠色）元素分布均勻。

（E-L）納米晶Co₆₀Al₄₀的TEM、HRTEM、STEM和EDS圖。(E,F) 在TEM和STEM顯微圖中觀察到較厚的晶界(2~10 nm)。

（G,H）EDS圖顯示Co沿晶界偏析。

（I,J）在富鈷相中沿晶界觀察到SFs。

（K,L）CoAl晶格沿[100]區軸的HRTEM。HRTEM測量的CoAl金屬間化合物面間距與文獻數據吻合較好。

圖2 三種CoAl柱的原位微柱壓縮研究

（A）通過原位SEM柱壓縮試驗測量的納米晶Co₅₀Al₅₀、Co₆₀Al₄₀和塊狀雙晶Co₅₀Al₅₀的真實應力-應變曲線。納米晶Co₅₀Al₅₀具有更高的強度，但在10 ~ 15%的應變下觀察到較大的應力降。納米晶Co₆₀Al₄₀具有更高的屈服強度(4.5 GPa)，在5.7 GPa的流變應力下加工硬化顯著。塊狀雙晶Co₅₀Al₅₀的流變應力為~2.5 GPa。

（B）B2金屬間化合物合金斷裂應力和斷裂應變比較。

（C-F）納米晶Co₅₀Al₅₀在壓縮過程中出現了主要的剪切裂紋，對應于應力-應變曲線中的顯著應力降。

（G-J）納米晶Co₆₀Al₄₀的SEM圖顯示，柱頂在可塑性變形過程中出現膨脹，沒有出現裂紋和剪切帶。

（K-N）塊狀雙晶Co₅₀Al₅₀的SEM顯示在變形過程中形成了單一的剪切帶。

圖3 納米晶Co₅₀Al₅₀和Co₆₀Al₄₀變形至應變~20%后的TEM分析

（A,B）TEM顯示，變形后的Co₅₀Al₅₀納米晶柱中存在一個主要的晶內剪切裂紋。

（C）變形柱的反極圖(IPF)。變形較小的區域1和剪切帶為主的區域2用方框標出。

（D）統計表明，區域2的平均晶粒尺寸為65 nm，大于區域1的40 nm。

（E）變形后的Co₆₀Al₄₀納米晶柱中未觀察到剪切帶或裂紋。

（F）HRTEM顯微圖顯示Co中沿晶界的高密度SFs。

（G）變形柱的IPF。選擇區域1和區域2進行進一步分析。

（H）兩個區域的平均晶粒尺寸相似，約為40 nm。變形后區域2中的晶粒略微伸長。

圖4 變形的Co₅₀Al₅₀和Co₆₀Al₄₀納米晶柱中的位錯

（A）變形納米晶Co₅₀Al₅₀的HRTEM顯微圖，顯示沿[110]區軸的晶粒。

（B-C）過濾后的TEM顯微圖顯示很少有分散的[111]和[100]型位錯。

（D）沿[110]區軸變形的納米晶Co₆₀Al₄₀晶粒的HRTEM顯微圖。

（E-F）HRTEM顯微圖的快速傅里葉逆變換(IFFT)，顯示高密度[100]和[111]型位錯。

?圖5?CoAl和CoAl/Co納米柱的分子動力學模擬

（A）真實應力-應變曲線顯示，CoAl納米柱具有高流動應力，但應力急劇下降。相比之下，具有Co層的CoAl具有加工硬化，但應力降不明顯。

（B,C）具有∑5 GB (B) 和厚Co層 (C) 的CoAl柱的初始結構。原子采用共鄰分析進行顏色編碼，其中藍色、橙色、紫色和白色分別表示體心立方(BCC)、面心立方(FCC)、HCP和未知結構。綠色、紅色、藍色和黑色線分別代表?[111]超局部位錯、[100]、[110]和其他位錯，這些是使用OVITO位錯分析確定。

（D-F）規則GBs的CoAl柱的原子結構(左)和位錯分析(右)。(D)位錯糾纏在規則GB區域內。(E)剪切帶的形成導致了圖5A中的主要應力降。位錯只出現在GB和剪切帶。(F)剪切帶的傳播可調節可塑性。在遠離剪切帶和GB區域的地方觀察到很少的移動位錯。

（G,H）富Co厚GBs的CoAl柱對應的原子結構(左)和位錯分析(右)。Co層含有傾斜的SFs。(G,H)在屈服之前，Co沿著SFs的方向在CoAl/Co界面處開始成核。(I)?[111]位錯傳播到CoAl晶粒中，導致屈服。

（J-M）在CoAl/Co柱中，[100]位錯可以傳播到整個底部晶粒。

（N-Q）?[111]位錯相互反應形成[110]和[100]位錯。

圖6?CoAl柱和CoAl/Co柱的位錯分析

（A,B）CoAl柱（A）和CoAl/Co柱（B）在13.5%真實應變下的原子結構（左）和位錯分析（右）。

（C,D）在不同應變下CoAl柱和CoAl/Co柱中(C)[100]和(D)?[111]位錯的總長度的比較。隨著厚Co層的存在，兩種位錯的密度比CoAl柱中的密度增加得更快。

【小結】

綜上所述，本文報告了一種超高強度、室溫可變形的納米晶CoAl金屬間化合物(Co₆₀Al₄₀)，其厚GBs是通過退火Al/Co納米層制備的。原位SEM壓縮試驗表明，納米晶結構和富Co厚GBs使Co₆₀Al₄₀同時具有高強度和室溫可塑性。變形后的TEM分析表明，具有厚GBs的Co₆₀Al₄₀的位錯密度比傳統的Co₅₀Al₅₀大得多。MD模擬闡明了[100]和?[111]位錯在變形期間從CoAl/Co界面成核，并通過CoAl晶粒傳播以適應可塑性。CoAl/Co界面上的位錯成核與富Co厚GBs中SFs的存在密切相關，這一有趣的現象值得進一步研究。目前的研究為提高金屬間化合物的室溫可塑性提供了一個新的視角。

文獻鏈接：High-strength nanocrystalline intermetallics with room temperature deformability enabled by nanometer thick grain boundaries（Sci. Adv.，2021，DOI：10.1126/sciadv.abc8288）

本文由木文韜翻譯，材料牛整理編輯。

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