基于高熵晶界修饰热-动力学的纳米晶高温稳定化研究

It is one of the main problems in the engineering application of nanocrystalline materials to maintain their excellent mechanical properties and high thermal stability. Since the current study is limited to the stability effect of strongly segregated elements with high segregation enthalpy (ΔHseg) and neglects the high-entropy grain boundary decoration (HEGBD) induced by high-entropy effect with high SHEs, the development of high stable nanocrystalline alloys systems are largely limited. It is intended to start from the high-entropy effect to carry out nano-scaled HEGBD thermo-kinetic studies of multicomponent alloy. Firstly, high density bulk nanocrystalline materials will be prepared by extremely non-equilibrium solidification method. Then, nano-scaled solute distribution and collaborative diffusion will be cleared by atom probe analysis and molecular dynamics simulation. The decorated effect of HEGBD on grain boundary energy, cohesion and mobility will be revealed using thermo-kinetics. Finally, the alloy system design basis and thermal stability mechanism controlled by the high-entropy effect will be developed and the thermal stabilities of the weak segregation and strong segregation system are expected to be improved. If the project achieves some achievement, it will not only have an important impact on the development of the stability theory of nanocrystalline materials, but also provide a certain reference to the alloy system design for other nano-materials, such as metal/alloy powders and ceramic materials.

提高纳米晶材料在极端条件下的稳定性是发挥其优异力学性能优势，实现其广泛工程应用的关键。然而，当前研究主要关注简单强偏析元素（高偏析焓ΔHseg）的稳定化效应，尚未揭示高熵效应（SHEs）引起的高熵晶界修饰（HEGBD）热-动力学在纳米晶高温稳定化控制及力学性能最优化方面的重要作用。本项目拟以多元合金为研究对象，从晶界的高熵效应出发开展纳米HEGBD的热-动力学研究工作。拟采用极端非平衡凝固方法制备致密纳米晶材料，利用3D原子探针分析与分子动力学模拟明确纳米尺度下的溶质分布和协同扩散，从热-动力学耦合的角度揭示HEGBD对晶界能、移动性和力学性能的修饰效应，阐明HEGBD在热稳定性提高与性能强化中的关联作用，从而发展高熵效应控制下的稳定控制理论。本项目的顺利完成不仅可推动极端条件下金属纳米晶材料稳定性理论的发展，而且可为金属/合金纳米颗粒、陶瓷等其它纳米材料的体系设计及界面修饰提供一定借鉴。

提高纳米晶材料在极端条件下的稳定性是发挥其优异力学性能优势，实现其广泛工程应用的关键。然而，当前研究主要关注简单强偏析元素（高偏析焓ΔHseg）的稳定化效应，尚未揭示高熵效应（SHEs）引起的高熵晶界修饰（HEGBD）热-动力学在纳米晶高温稳定化控制及力学性能最优化方面的重要作用。本项目以NiZrNbMoTa、FeZrNbMoTa、FeZrNbHfTa、CoCrFeNi-Al(Sn、B)高熵合金体系、ODS钢多元体系为研究对象，从晶界的高熵效应出发开展纳米高熵晶界修饰的热-动力学研究工作。基于热力学极值原理，构建推导了多元体系下纳米晶溶质偏析、晶粒生长模型，并进行模型分析，从热-动力学耦合的角度揭示HEGBD对晶界能、移动性和力学性能的修饰效应。分别以镍、铁为基体，以偏析元素锆铌钼钽铪为合金元素，采用合金化方法制备了不同成分的高熵晶界修饰合金，在不同温度下对球磨制备态镍基合金进行等温退火实验，研究了镍基合金在高熵晶界修饰下的热稳定机制。通过Zr-Nb-Mo-Ta的微量掺杂，使Fe和Ni的纳米晶可以在900℃保持在50nm，高压烧结强度可以达到3.5GPa。高温的稳定化归结为晶界偏析导致的晶界能降低和第二相钉扎的耦合作用。通过真空感应熔炼和喷铸工艺制备了CoCrCuFeNiAlx、CoCrCuFeNiSnx高熵合金并研究了其调幅分解及纳米相共生机制。通过真空电弧熔炼和深过冷凝固方法设计并探索了新型共晶型高熵合金CoNiFeB，该组织呈现表征层片状和棒状共晶结构，该体系在深过冷和真空喷铸及真空甩带工艺条件下极易获得纳米晶形态。开发了新型高稳定纳米晶14YWTZ-ODS铁素体钢的制备工艺，结合3DAP手段，分析了ODS钢的纳米高温稳定化和纳米强韧化机制和性能。阐明了HEGBD在热稳定性提高与性能强化中的关联作用，从而发展了高熵效应控制下的稳定控制理论。在本项目支持下，共发表SCI论文10篇，其中JCR一区论文6篇，授权发明专利5项，获得2019年教育部自然科学一等奖1项。本项目的顺利完成不仅可推动极端条件下金属纳米晶材料稳定性理论的发展，而且可为金属/合金纳米颗粒、陶瓷等其它纳米材料的体系设计及界面修饰提供一定借鉴。