UAB 通过成像和模拟洞察 3D 打印纳米层状高熵合金中的高压相变

2024年8月28日，南极熊获悉，来自阿拉巴马大学伯明翰分校 (UAB) 的研究人员通过使用高分辨率成像和计算机模拟方法在3D 打印纳米层状高熵合金（EHEA）中的高压相变探索方面取得了新的进展。

相关研究以题为“High-pressure phase transition in3-D printed nanolamellar high-entropy alloy by imaging and simulation insights”的论文发表在《科学报告》上。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41598-024-67422-x

为了生产出更适合人类在极端环境下使用的材料，CAMCSE采用高分辨率电子显微镜对增材制造的 EHEA Ni40Co20Fe10Cr10Al18W2中压力诱导的 BCC 到 FCC 相变进行成像。通过将样品压缩到超过 9 GPa 的临界相变压力，然后将其恢复以进行详细的成像分析。此外，还进行了非平衡 MD 模拟，以探索 BCC 到 FCC相变的潜在机制。

图1 打印后的EHEA的结构和形貌：抛光和镓离子蚀刻样品表面的背散射 SEM 图像( A )、显示具有鲜明对比度的两个相的样品的 HAADF STEM 图像 ( B )、具有两个相的区域的放大明场 TEM 图像 ( C )、从区域 1 ( D ) 和区域 2 ( E ) 采集的 SAED 图案（在面板 C 上突出显示）分别显示存在 FCC 和 FCC + BCC 相，以及分别具有 (111) 和 (110) 方向的 FCC/BCC 相界面的高分辨率 HAADF STEM 图像 ( F )。

图2 EHEA在金刚石压砧中的 X 射线衍射图( a ) 在环境条件下显示 BCC 和 FCC 相，( b ) 显示完全转变为 FCC 相，( c ) 在 30.6GPa 下显示 FCC 相在最高压力下的稳定性，以及 ( d) 减压至环境压力后显示 FCC 相的保留。红色符号标记BCC 峰，而 FCC 用蓝色符号标记。压力通过红宝石荧光技术测量。

图3 压缩EHEA样品的结构和形貌：样品层压区域的 BF TEM 图像 ( A)、从该区域获取的 SADP ( B ) 以及从 SADP 获得的轮廓 ( C )。

图4 压缩EHEA的结构：样品的 HAADF STEM 图像显示两个相（A ），从图 A 上突出显示的区域 1（ B）和区域 2（C ）获取的纳米衍射图案显示两个相中都存在 FCC，并且在两个 FCC 相的界面处拍摄的高分辨率 BF STEM 图像（D）。

图5 双相模型中相变演变的原子级模拟。( A ) 初始状态、( B ) 压缩至13 GPa、( D ) 130 GPa、( E ) 减压至 13 GPa 和 ( F ) 减压至0 GPa 时的原子结构。( C ) BCC 向 FCC 转变过程中初始 BCC 相和转变后的 FCC 相之间的相对取向。( G – I ) ( G ) 初始状态、( H ) 130 GPa 和 ( I ) 0 GPa时的化学映射。

图6 当压力降至 0 GPa 时，BCC 相稳定性和转变形态复杂性对 BCC 到 FCC 恢复的影响。（A– C）显示了 130 GPa 下的 FCC 形态，具有完美的 FCC 结构，（B）具有孪晶，（C）具有分级孪晶。（D）显示了压力降至 0 GPa 后的结构。已经研究并展示了四个系统，包括 Fe 0.2 Ni 0.8、FeCuNi、Fe 0.8 Ni 0.2和 Fe。

研究并展示了四个系统，包括 Fe 0.2 Ni 0.8、FeCuNi、Fe 0.8 Ni 0.2和 Fe。

尤格什·沃赫拉 (Yogesh Vohra) 是阿拉巴马大学物理系教授，也是艺术与科学学院研究与创新副院长，也是极端条件下增材制造复杂系统中心 (CAMCSE) 的首席研究员。Vohra 表示，发表论文的重点是3D 打印高熵合金具有高强度和延展性的根本结构原因。他说：“值得注意的是，晶体结构在高压下的变化可能会影响 3D 打印合金的机械性能。本文中的电子显微镜研究意义重大，因为它首次证实了纳米结构层状结构在暴露于压力后得以保持，并且各个层的化学成分没有变化。”

这项研究探索了3D 打印材料在极端压力、温度以及高速冲击或冲击压缩下的表现，将有助于增材制造材料的设计发展，用于航空航天和发电厂的极高温度、超高速撞击下的弹性结构以及核反应堆的高辐射环境。

Vohra 表示，他对 CAMCSE 的这一进展感到兴奋，因为它代表了对高压引起的晶体结构变化理解的进步，并强调了合作的重要性。“这篇论文代表了四所不同学术机构在极端条件下应用于 3D 打印超级合金的集体专业知识，”他说。“跨科学和工程学科合作解决一个共同问题是 CAMCSE 的一项显著成就，同时为 UAB 研究生提供了培训机会。”

CAMCSE 有四个学术合作伙伴，包括马萨诸塞大学阿默斯特分校、斯坦福大学、加州大学欧文分校和塔斯基吉大学。