Erzielung thermisch stabiler Nanopartikel in chemisch komplexen Legierungen durch kontrollierbare langsame Gitterdiffusion

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Oct 25, 2023

Erzielung thermisch stabiler Nanopartikel in chemisch komplexen Legierungen durch kontrollierbare langsame Gitterdiffusion

Nature Communications Band 13, Artikelnummer: 4870 (2022) Diesen Artikel zitieren 6363 Zugriffe 23 Zitate 23 Altmetric Metrics Details Die Nanopartikelverstärkung bietet eine entscheidende Grundlage für

Nature Communications Band 13, Artikelnummer: 4870 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Die Nanopartikelverstärkung bietet eine entscheidende Grundlage für die Entwicklung leistungsstarker Strukturmaterialien mit potenziell hervorragenden mechanischen Eigenschaften für Strukturanwendungen. Aufgrund der geringen thermischen Stabilität von Nanopartikeln funktioniert die allgemeine Meinung jedoch oft nicht richtig, und die schnelle Vergröberung dieser Partikel führt zu einem beschleunigten Versagen dieser Materialien, insbesondere bei erhöhten Temperaturen. Hier demonstrieren wir eine Strategie zur Herstellung ultrastabiler Nanopartikel bei 800–1000 °C in einer chemisch komplexen Ni59,9-xCoxFe13Cr15Al6Ti6B0,1 (at.%)-Legierung, die aus dem kontrollierbaren trägen Gitterdiffusionseffekt (SLD) resultiert. Unsere diffusionskinetischen Simulationen zeigen, dass das Co-Element zu einer deutlichen Verringerung der Interdiffusionskoeffizienten aller Hauptelemente, insbesondere des Al-Elements, mit einem Maximum von bis zu 5 Größenordnungen führt. Mithilfe von First-Principles-Berechnungen enthüllen wir außerdem, dass die durch die erhöhte Co-Konzentration induzierte Inkompressibilität von Al eine entscheidende Rolle bei der Kontrolle des SLD-Effekts spielt. Diese Erkenntnisse sind nützlich, um Fortschritte beim Design neuartiger Strukturlegierungen mit außergewöhnlichen Kombinationen von Eigenschaften und Mikrostrukturstabilität für Strukturanwendungen zu erzielen.

Materialien, die gut stabilisierte Nanostrukturen enthalten, haben bei der Suche nach einzigartigen Eigenschaftskombinationen, einschließlich sowohl struktureller als auch funktioneller, entscheidende Vorteile gebracht und sind vielversprechend für das Erreichen einer verbesserten Energieeffizienz und CO2-Neutralität1,2,3,4,5. Von besonderem Interesse ist, dass die „Nanopartikelverstärkung“ als wirkungsvolle Strategie in großem Umfang für die Innovation hochfester Materialien wie fortschrittliche Al-Legierungen6,7, Stähle8,9,10,11 und Superlegierungen12,13,14 eingesetzt wird die in verschiedenen Technologie- und Industriebereichen wie der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie und der Nukleartechnik eine entscheidende Rolle spielen. Leider neigen diese Feinpartikel der zweiten Phase im Nanomaßstab zwangsläufig zu einer schnellen Vergröberung, was die Tragfähigkeit der Wirtsmaterialien drastisch verringert und folglich zu katastrophalen Ausfällen führt15,16,17,18. Obwohl zahlreiche Anstrengungen unternommen wurden19,20, bleibt ein solches unerwünschtes Vergröberungsverhalten die Achillesferse vieler Strukturlegierungen, insbesondere derjenigen, die bei erhöhten Temperaturen eingesetzt werden. Insbesondere die jüngste Entdeckung chemisch komplexer Legierungen (CCAs) hat sich als neues Paradigma für die Entwicklung neuartiger Strukturmaterialien mit einzigartigen physikalischen und mechanischen Eigenschaften erwiesen21,22,23,24,25,26,27,28,29. Insbesondere der sogenannte träge Gitterdiffusionseffekt (SLD)30,31,32,33 verleiht mehreren CCAs möglicherweise eine bemerkenswerte thermische Stabilität34,35,36,37,38,39,40. Aufgrund des Mangels an quantitativem Verständnis ist der zugrunde liegende Mechanismus des SLD-Effekts jedoch bisher nicht gut aufgeklärt und sein atomarer Ursprung bleibt derzeit noch rätselhaft. Dies macht frustrierenderweise die Erzielung ultrastabiler Nanostrukturen (USNSs) in CCAs unkontrollierbar.

In der vorliegenden Studie finden wir durch eine Kombination verschiedener komplementärer experimenteller Techniken und theoretischer Simulationen den Schlüssel zur effektiven Stabilisierung der Nanopartikel der zweiten Phase in einem chemisch komplexen NiCoFeCrAlTiB-Metallsystem mit hoher Entropie. Genauer gesagt zeigen wir, dass die Anpassung der Konzentration des Co-Elements den SLD-Effekt kontrollierbar und quantitativ steuern kann, wodurch wir eine schnelle Vergröberung der Nanopartikel bei hohen Temperaturen bis zu 1000 °C weitgehend verhindern können. Diese Ergebnisse können den Weg für die Entwicklung eines effizienten Designs von Hochleistungslegierungen mit guten mechanischen und thermischen Eigenschaften für Hochtemperatur-Strukturanwendungen ebnen.

Um den signifikanten Einfluss des Co-Elements auf die träge Diffusionskinetik in CCAs zu untersuchen, wurden drei experimentelle Legierungen, Ni59,9-xCoxFe13Cr15Al6Ti6B0,1 (x = 0, 15 und 30 Atom-%, bezeichnet als 0Co, 15Co und 30Co) untersucht CCAs) wurden durch Lichtbogenschmelzen gegossen und anschließend einer thermischen Alterung unterzogen (siehe Details unter „Methoden“). Wie in Abb. 1a – c dargestellt, werden die durchschnittlichen Größen der Nanopartikel für die drei CCAs mit 0Co, 15Co und 30Co jeweils mit 1011,4 ± 235,4 nm (Abb. 1a), 677,6 ± 111,5 nm (Abb. 1b) bewertet. und 567,3 ± 79,8 nm (Abb. 1c), 240 Stunden bei 1000 ° C gealtert. Wir zeigen auch die typischen Rasterelektronenmikroskopaufnahmen (REM) der 0Co-, 15Co- und 30Co-CCAs bei 800, 900 und 1000 °C für verschiedene Zeiträume (24 h, 72 h, 168 h und 240 h), siehe Ergänzung Feigen. 1–3. Wir bewerten außerdem quantitativ die durchschnittliche Größenentwicklung von Nanopartikeln in den drei CCAs mit der Variation der Alterungszeit bei verschiedenen Temperaturen (siehe Einzelheiten unter „Methoden“), wie in Abb. 1d – f dargestellt. Unsere Experimente zeigen, dass die erhöhten Konzentrationen des Co-Elements die durchschnittliche Partikelgröße erheblich verringern und die thermische Stabilität dieser Nanopartikel weiter verbessern können.

a–c Typische REM-Aufnahmen von Nanopartikeln in den drei CCAs, die 240 Stunden lang bei 1000 °C gealtert wurden. Ihre durchschnittlichen Durchmesser werden separat mit 1011,4 ± 235,4 nm, 677,6 ± 111,5 nm und 567,3 ± 79,8 nm bewertet. d–f Die Entwicklung der durchschnittlichen Größe von Nanopartikeln in den drei CCAs, die bei 800, 900 und 1000 °C für unterschiedliche Zeiträume (24 h, 72 h, 168 h und 240 h) gealtert wurden.

Darüber hinaus charakterisieren wir die Kristallstruktur und chemische Zusammensetzung von Nanopartikeln mithilfe von Techniken der Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) und der Atomsondentomographie (APT). Durch die Kombination des Selected Area Electron Diffraction (SAED)-Musters (Abb. 2b) und der Analyse der chemischen Zusammensetzung (Abb. 2c) besitzen die Nanopartikel und die Matrix, wie in Abb. 2a zu sehen, L12- bzw. flächenzentrierte kubische (FCC) Strukturen . Darüber hinaus charakterisieren wir auch die Elementverteilung in den beiden Phasen (FCC + L12) für die 24 Stunden bei 800 ° C gealterten 0Co-, 15Co- und 30Co-CCAs, wie in Abb. 2d – f dargestellt. Anscheinend können wir erkennen, dass sich die Elemente Ti, Al und Ni hauptsächlich in den L12-Ausscheidungen verteilen, wohingegen Fe und Cr in Übereinstimmung mit unserer energiedispersiven TEM-Spektroskopie (EDS) weitgehend aus den Niederschlägen für das 0Co-CCA abgereichert sind (Abb. 2d). Ergebnis (Abb. 2c). Im Gegensatz dazu weist Co in den 15Co- und 30Co-CCAs eine starke Verteilung in der FCC-Matrix auf (Abb. 2e, f). In ähnlicher Weise wird auch das Elementverteilungsverhalten in der FCC-Matrix und den L12-Niederschlägen für die 24 Stunden bei 900 ° C gealterten 0Co- und 15Co-CCAs bewertet, wie in den ergänzenden Abbildungen zu sehen ist. 4 und 5. Basierend auf den APT- und Scanning-TEM-EDS-Ergebnissen fassen wir die chemische Zusammensetzung und Verteilung von L12-Niederschlägen und der FCC-Matrix der 0Co- und 15Co-Legierungen bei 800, 900 und 1000 °C für 24 Stunden zusammen, wie gezeigt in der Ergänzungstabelle. 1, das grundlegende Daten für unsere nachfolgenden diffusionskinetischen Simulationen liefert. Bemerkenswert ist, dass die feuerfesten Elemente wie Rhenium (Re) im Allgemeinen in Metalllegierungen enthalten sind, um die Diffusionskinetik gelöster Stoffe über die Entmischung gelöster Stoffe an Phasengrenzflächen zu reduzieren39, wohingegen in der aktuellen Studie keine Elemententmischung an der L12/FCC-Grenzfläche festgestellt wurde (Abb. 2d – f, ergänzende Abbildungen 4 und 5) und daher ist ein tiefergehendes Verständnis des durch das Co-Element gesteuerten trägen Diffusionsmechanismus erforderlich.

a Eine typische Dunkelfeld-TEM-Aufnahme von Nanopartikeln im 0Co-CCA, 24 Stunden lang bei 1000 °C gealtert. b Nanopartikel werden mit Hilfe des SAED-Musters als L12-Niederschläge identifiziert (ZA bezeichnet die Zonenachse). c Die gescannten TEM-EDS-Karten zeigen, dass L12-Ausscheidungen reich an Ni, Al und Ti sind. d–f 3D-APT-Rekonstruktion der Spitze und des entsprechenden Zusammensetzungsprofils über die FCC/L12-Grenzfläche aus den 0Co-, 15Co- und 30Co-Proben, die 24 Stunden lang bei 800 °C gealtert wurden.

Als nächstes diskutieren wir quantitativ die Vergröberungskinetik und die damit verbundenen Mechanismen von L12-Niederschlägen in den untersuchten CCAs. Es ist bekannt, dass das Vergröberungsverhalten der L12-Niederschläge durch den klassischen Ostwald-Reifungsprozess beschrieben werden kann41,42. In Bezug auf unsere untersuchten CCAs wird die Vergröberungskinetik durch zwei Faktoren gesteuert: die Diffusion des gelösten Stoffes durch die FCC-Matrix und die FCC/L12-Grenzfläche. Ein solcher zeitabhängiger Vergröberungsprozess kann durch den Potenzgesetzausdruck43,44 beschrieben werden.

Dabei ist r(t) der durchschnittliche Radius des Niederschlags zum Alterungszeitpunkt t, k die Vergröberungsgeschwindigkeitskonstante. n = 3 und 2 bedeuten, dass die Vergröberungskinetik im Allgemeinen durch den Volumendiffusionsmechanismus (LSW) bzw. durch den Trans-Interface-Diffusions-kontrollierten (TIDC) Mechanismus 37, 45 bestimmt wird. Die lineare Anpassung an die Datenpunkte von r3 vs. t und r2 vs. t während der thermischen Alterung und die entsprechenden Aktivierungsenergien sind in Abb. 3 dargestellt. Unter Berücksichtigung der Vergröberungskinetik und der berechneten Aktivierungsenergie (weitere Einzelheiten finden Sie in der Ergänzenden Anmerkung 1 und der Ergänzenden Anmerkung). Abb. 6) legen unsere Ergebnisse nahe, dass das Vergröberungsverhalten von L12-Niederschlägen im 0Co-CCA durch den TIDC-Mechanismus gesteuert wird, während es im 15Co-CCA durch den LSW-Mechanismus gesteuert wird. Bemerkenswerterweise wird die Vergröberung der L12-Niederschläge im 30Co-CCA auch vom LSW-Mechanismus dominiert. Daher zeigen unsere Vergröberungskinetikanalysen, dass das Co-Element den Übergang der Vergröberungsmechanismen von L12-Niederschlägen in den untersuchten CCAs induziert.

a, b Diagramme von r2 vs. t von L12-Ausfällungen in den 0Co- und 15Co-CCAs, gealtert bei 800, 900 und 1000 °C. c, d Das Arrhenius-Diagramm der Vergröberungsgeschwindigkeitskonstante (ln(k × T)) als Funktion der reziproken Alterungstemperatur (1/T) bestimmt die Aktivierungsenergie (Q) für die 0Co- und 15Co-CCAs basierend auf dem TIDC-Modell. e, f Diagramme von r3 vs. t von L12-Ausfällungen in den 0Co- und 15Co-CCAs, gealtert bei 800, 900 und 1000 °C. g, h Das Arrhenius-Diagramm der Vergröberungsgeschwindigkeitskonstante (ln(k × T)) als Funktion der reziproken Alterungstemperatur (1/T) ergibt die Aktivierungsenergie (Q) für die 0Co- und 15Co-CCAs basierend auf dem LSW-Modell.

Es wurde erkannt, dass die Vergröberungsrate eines Partikels hauptsächlich durch den geschwindigkeitsbegrenzenden Schritt46 gesteuert wird. Aus unseren quantitativen experimentellen Analysen, wie in Abb. 3 ersichtlich, ist die L12/FCC-Grenzflächenreaktion der geschwindigkeitsbestimmende Schritt im 0Co-CCA, während für die 15Co- und 30Co-CCAs der LSW-Mechanismus der geschwindigkeitsbestimmende Schritt ist. Bisher ist die Berechnung der Diffusionskinetik gelöster Stoffe an der FCC/L12-Grenzfläche noch eine Herausforderung. Um den Übergang des durch das Co-Element induzierten Vergröberungsmechanismus von L12-Niederschlägen aufzudecken, konzentrieren wir uns auf die wesentliche Rolle des Co-Elements bei der Reduzierung der Diffusionskinetik durch die FCC-Matrix in den untersuchten Systemen. Hier haben wir mithilfe einer Kombination aus HitDIC-Software (High-throughput Determination of Interdiffusion Coefficients, https://hitdic.com/) und NiCoFeCrAlTi-Diffusionsmultiplikatoren47 die Variation der Interdiffusionskoeffizienten von Al, Co, Cr, Fe und Ti berechnet Elemente in den FCC-Matrizen in den untersuchten CCAs mit unterschiedlichem Co-Gehalt (0, 15 und 30 Co at.%). Wie in Abb. 4 gezeigt, nehmen alle wichtigen Interdiffusionskoeffizienten mit zunehmendem Co-Gehalt ab. Überraschenderweise sinkt der Interdiffusionskoeffizient des Al-Elements von 1,06 × 10−14 ms−1 auf 1,53 × 10−20 ms−1, bis zu 5 Größenordnungen bei 800 °C, wenn der Co-Gehalt von 0 auf 30 Atom-% steigt. (Abb. 4d). Gleichzeitig zeigt sich auch, dass das Co-Element im Vergleich zu anderen Elementen wie Co, Cr, Fe und Ti zu der größten Verringerung der Interdiffusionskoeffizienten des Al-Elements führt (Abb. 4d–f). Die simulierten Interdiffusionskoeffizienten der Elemente Al, Co, Cr, Fe und Ti in den FCC-Matrizen (mit Ni als Lösungsmittel) in den drei CCAs bei unterschiedlichen Temperaturen (800, 900 und 1000 ° C) sind in der Ergänzungstabelle 3 aufgeführt Infolgedessen ist die durch das Co-Element induzierte Verringerung der Interdiffusionskoeffizienten zwischen allen Hauptelementen für den Übergang der Vergröberungsmechanismen in den untersuchten CCAs verantwortlich.

Wechselstrom 800 °C, 900 °C und 1000 °C. d–f Die Variationen des Verhältnisses der Interdiffusionskoeffizienten mit zunehmendem Co-Gehalt bei 800 °C, 900 °C und 1000 °C.

Basierend auf unseren diffusionskinetischen Berechnungen (Abb. 4) stellen wir fest, dass das Co-Element das Interdiffusionsverhalten des Al-Elements stark beeinflusst, was wahrscheinlich eine unerwartete Rolle bei der Steuerung des SLD-Effekts spielt. Hier erläutern wir anhand von auf der Dichtefunktionaltheorie (DFT) basierenden First-Principles-Berechnungen den entscheidenden Ursprung der durch das benachbarte Co-Element induzierten Verringerung der Interdiffusionskoeffizienten des Al-Elements. Wie in Abb. 5b dargestellt, steigt mit zunehmender Anzahl der nächsten benachbarten Co-Atome die Energiebarriere für das Al-Atom deutlich an, was darauf hindeutet, dass eine höhere Co-Konzentration die Diffusion des Al-Atoms unterdrückt. Um die Auswirkungen des Co-Atoms auf die Diffusion des Al-Atoms weiter zu untersuchen, haben wir die Kompressionseigenschaften eines Al-Atoms gegenüber dem Co-Atom untersucht. Wie in Abb. 5c gezeigt, steigt die relative Energie mit der Verkürzung der Bindungslänge von Co-Al. Bemerkenswert ist, dass die Energieänderung mit zunehmender Anzahl der nächsten benachbarten Co-Atome zunimmt. Die entsprechenden Diagramme der elektronenlokalisierten Funktion (ELF) sind in Abb. 5d dargestellt, z. Die Verteilung der ELF kann zur Analyse interatomarer Wechselwirkungen innerhalb der Kristallstruktur verwendet werden. Insbesondere stellen ELF = 0 und 1 die vollständig delokalisierte bzw. perfekte Lokalisierung von Elektronen dar48. Für die betrachteten CCAs liegen die ELF-Werte bei <0,5, was auf delokalisierte Elektronenzustände hinweist49. Mit zunehmender Anzahl der Co-Atome des nächsten Nachbarn nehmen die ELF-Werte des Systems zu, was auf die Lokalisierung der durch Co-Atome induzierten Elektronen hinweist, wie in Abb. 5d, e, Ergänzungstabelle 4 dargestellt. Inspektion der Umgebung von Al-Atome deuten darauf hin, dass die meisten Elektronen um Al-Atome lokalisiert sind und die ELF-Werte in den Al-Co-Bindungsregionen recht niedrig sind. Es gibt keine Elektronenverteilung zwischen Al-Co-Atomen, wodurch die Bindungswechselwirkungen steif werden. Infolgedessen führen die hohen Co-Konzentrationen rund um das Al-Atom zu einer geringeren Kompressibilität im Vergleich zur zufälligen Verteilung der Ni/Co/Fe/Cr-Elemente. Es ist gut erwiesen, dass die Migrationsbarrieren empfindlich auf die Kompressibilität von Elementen reagieren50, da das Migrationsatom in der Sattelstruktur einer erheblichen Kompressionskraft ausgesetzt sein sollte (das Atom befindet sich genau in der Mitte des Pfades). Daher ist die durch die hohe Co-Konzentration induzierte Inkompressibilität von Al für die hohen Migrationsbarrieren und die geringe Diffusionsfähigkeit von Al verantwortlich, was ein tiefgreifendes Verständnis für die Erzielung von USNSs in den CCAs durch Zugabe geeigneter Co-Elemente bietet.

a Der Migrationspfad des Austauschs zwischen einem Gitteratom und einer nahegelegenen Lücke. b Migrationsbarriere eines Al-Atoms mit zunehmender Anzahl der nächsten benachbarten Co-Atome (0, 4, 8 und 16). c Die relative Energie ändert sich, wenn ein Al in verschiedenen Co-Umgebungen in Richtung eines Co-Atoms bewegt wird. d, e ELF-Diagramm in einer [100]-Ebene entsprechend dem Fall von c bei unterschiedlicher Anzahl der nächsten benachbarten Co-Atome. Beachten Sie, dass ELF = 0 und 1 die vollständig delokalisierte bzw. perfekte Lokalisierung von Elektronen darstellen. Die Farbskala der ELF-Wertdifferenz reicht von 0 bis 0,2.

Es ist erwähnenswert, dass sich die Heusler-Phase vom L21-Typ an Korngrenzen zu bilden beginnt, wenn der Co-Gehalt auf bis zu 30 Atom-% ansteigt, wie in der ergänzenden Abbildung 7 dargestellt. Die Heusler-Phase verursacht häufig eine erhöhte lokale Spannungskonzentration und vorzeitige Ausfälle von die Legierungen, da sie extrem spröde und inkohärent mit der FCC-Matrix sind35,51. Um die Auswirkung von mehr gelöstem Co auf die Phasenstabilität dieses untersuchten Systems weiter zu entschlüsseln, stellen wir auch Co59.9Fe13Cr15Al6Ti6B0.1 CCA (bezeichnet als 60Co CCA) her. Typische REM-Bilder (ergänzende Abbildung 8) zeigen die Niederschlagsmorphologien und -verteilungen des 60Co-CCA, der 24 und 72 Stunden lang bei 1000 ° C gealtert wurde und sich offenbar von denen der anderen drei CCAs unterscheidet (ergänzende Abbildungen 1–3). Die Niederschläge werden mithilfe des TEM- und SAED-Musters als B2-Phase identifiziert (ergänzende Abbildung 9). Zugkurven (ergänzende Abbildung 10) zeigen außerdem, dass der 60Co-CCA im Vergleich zum 30Co-CCA eine geringere Zugfestigkeit und Duktilität aufweist. Basierend auf den mikrostrukturellen Beobachtungen zeigen wir die Entwicklung der Phasenstrukturen in unserem CCA-System mit zunehmendem Co-Gehalt, siehe ergänzende Abbildung 11. Die Kombination der mechanischen Daten und der Phasenstrukturen impliziert, dass ein geeigneter Bereich des Co-Gehalts (15 ~30 Atom-%) in einem solchen CCA-System können die Mikrostrukturstabilität bei erhöhten Temperaturen erheblich verbessern.

Zusammenfassend schlagen wir eine kontrollierbare SLD-Strategie vor, um USNSs in den CCA-Systemen bei erhöhten Temperaturen zu erreichen. Sowohl experimentelle als auch simulierte Ergebnisse zeigen, dass die Anpassung der Konzentration des Co-Elements die thermische Stabilität von Nanopartikeln erheblich verbessert, indem die Interdiffusionskoeffizienten anderer Elemente, insbesondere des Al-Elements, verringert werden. Unsere theoretischen Berechnungen zeigen, dass die durch eine hohe Co-Konzentration induzierte Inkompressibilität von Al zu einer geringen Diffusionsfähigkeit des Al-Atoms führt, was die entscheidende Ursache für einen solchen Co-elementgesteuerten SLD-Effekt in CCAs ist. Die kontrollierbare SLD-Strategie kann die Entwicklung neuartiger CCAs mit überlegener Mikrostrukturstabilität bei erhöhten Temperaturen weiter vorantreiben. Es kann möglicherweise auf andere Metalllegierungen angewendet werden.

Vier experimentelle Legierungsbarren wurden mit hochreinen Rohmetallen (Fe, Co, Cr, Ni, Ti, Al und B, >99,9 % rein) unter einer Ti-Getter-Argon-Atmosphäre lichtbogengeschmolzen. Die nominalen Zusammensetzungen sind jeweils Ni59,9-xCoxFe13Cr15Al6Ti6B0,1 (x = 0, 15, 30 und 60 Atom-%). Der Einfachheit halber werden die untersuchten Legierungen als 0Co-, 15Co-, 30Co- bzw. 60Co-CCAs bezeichnet. Jeder Barren wurde mindestens fünf Mal erneut geschmolzen, um die Homogenität der Zusammensetzung sicherzustellen, und dann in eine Kupferform mit einer Größe von 5 × 12 × 50 mm3 fallen gelassen. Die Proben im Gusszustand wurden 2 Stunden lang bei 1165 °C homogenisiert, gefolgt von einem Kaltwalzen mit einer Dickenreduzierung von ~65 % entlang der Längenrichtung. Die gerollten Proben wurden bei 1165 °C etwa 2 Minuten lang vollständig rekristallisiert. Anschließend wurden isotherme Alterungsbehandlungen bei 800, 900 und 1000 °C für verschiedene Zeiträume (24 h, 72 h, 168 h und 240 h) durchgeführt und dann an der Luft auf Raumtemperatur abgekühlt.

Zur Beobachtung der Mikrostrukturmerkmale der untersuchten CCAs wurde ein SEM (FEI Scios) eingesetzt. Die REM-Proben wurden zunächst mechanisch mit SiC-Papieren geschliffen und anschließend in einer Lösung aus C2H5OH und HNO3 (3:1) mit einer Gleichspannung von 20 V bei −30 °C elektropoliert. Ein mit einem EDS ausgestattetes TEM (JEOL 2100 F) wurde eingesetzt, um die Kristallstruktur und die chemische Zusammensetzung verschiedener Phasen zu identifizieren. Die TEM-Proben wurden zunächst mit SiC-Papieren auf eine Dicke von 50 μm geschliffen und dann in Scheiben mit einem Durchmesser von 3 mm gestanzt, gefolgt von einem Ionenmahlen bis zur Elektronentransparenz über ein Präzisions-Ionenpoliersystem (PIPS, Gatan 695). Bezüglich der quantitativen Bewertung von L12-Ausscheidungen wird der Radius mit a/2 bewertet, wobei a die durchschnittliche Kantenlänge der kubischen Ausscheidungen und der mittlere Durchmesser der kugelförmigen Ausscheidungen ist. Für jeden Alterungszustand wurden etwa 200 L12-Niederschläge gemessen. Das APT-Experiment wurde mit einer lokalen Elektroden-Atomsonde (CAMECA, LEAP 5000 XR) im Spannungspulsmodus bei 70 K mit einer Pulsfrequenz von 200 kHz und einem Pulsanteil von 20 % durchgeführt. Die nadelförmige Probe wurde mit einem FEI Scios-Zweistrahl-REM/fokussiertem Ionenstrahl-Instrument hergestellt. Für die quantitative Analyse der Zusammensetzung und die 3D-Rekonstruktion wurde das Bildvisualisierungs- und Analysesoftwarepaket (IVAS 3.8.2) verwendet.

Flache, hundeknochenförmige Zugproben mit einer Messlänge von 12,5 mm, einer Breite von 3,2 mm und einer Dicke von ~1,5 mm wurden mittels Funkenerosion hergestellt. Die Zugeigenschaften bei Raumtemperatur wurden mit einer Spannungsmaschine des Material Testing System (MTS) mit einer Dehnungsrate von 1 × 10−3 s−1 bewertet.

In dieser Arbeit wird ein frei zugänglicher Code HitDIC52 verwendet, um die Interdiffusionskoeffizientenmatrizen der FCC-Phase in den vorliegenden Mehrkomponenten-Ni-Co-Fe-Cr-Al-Ti-Systemen zu bewerten. Die pragmatische numerische Umkehrmethode53 ist in den Code integriert, mit der die zusammensetzungsabhängigen Interdiffusionskoeffizienten basierend auf unseren experimentellen Zusammensetzungsprofilen effektiv bewertet werden können (siehe Ergänzungstabellen 1 und 2). Hier wurden die Interdiffusionskoeffizienten der Elemente Al, Co, Cr, Fe und Ti (mit Ni als Lösungsmittel) in den drei CCAs bei 800, 900 und 1000 °C mit der HitDIC-Software separat berechnet, wie in Abb. 4.

Ab-initio-Berechnungen wurden mit dem Wiener Ab-initio-Simulationspaket auf Basis der Dichtefunktionaltheorie (DFT)54,55 durchgeführt. Ion-Elektron-Wechselwirkungen wurden mit dem Projektor-Augmented-Wave-Ansatz (PAW)56 beschrieben. Die Austausch-Korrelations-Wechselwirkungen wurden durch die Perdew-Burke-Ernzerhof-Form (PBE)57 modelliert. Es wurde die Methfessel-Paxton-Verschmierung58 mit einer Verschmierungsbreite von 0,2 eV verwendet. Die Grenzenergie ebener Wellen betrug 400 eV. Die Migrationsenergie einer Leerstelle wurde in einer 4 × 4 × 4-FCC-Superzelle mit 254 Atomen und einem 2 × 2 × 2-k-Punkt-Netz berechnet. Die Energie der Sattelstruktur wurde durch direkte Optimierung der Sattelkonfiguration mit einem Kraftkonvergenzkriterium von 0,03 eV/Å59 berechnet. Um die Auswirkungen von Co-Atomen in den lokalen Regionen auf die Migrationsbarrieren zu verdeutlichen, werden die 1NN-Schale der Leerstelle und einer ihrer nächsten Nachbarn absichtlich als Co-Atome zugeordnet, während alle übrigen Atome zufällig mit äquiatomarem Co/Fe/Ni besetzt sind /Cr-Atome. Der ELF wurde von Becke und Edgecombe vorgeschlagen, um die Wahrscheinlichkeit zu messen, ein Elektronenpaar in einer Raumregion zu finden. ELF liefert eine quantitative Beschreibung der Elektronenverteilungen in Gegenwart anderer Elektronen. Der ELF nimmt nur Werte im Bereich zwischen 0 und 1 an, wobei ELF = 1 der perfekten Lokalisierung entspricht. In dieser Arbeit wurde die ELF-Verteilung berechnet, um die Bindungsstärke zwischen verschiedenen Atomen basierend auf der Implementierung im VASP-Code49 zu quantifizieren.

Die Daten, die die Ergebnisse dieser Arbeit stützen, sind auf Anfrage bei den entsprechenden Autoren erhältlich.

Die für die diffusionskinetischen Simulationen und DFT-Berechnungen in dieser Studie verwendeten Codes sind auf Anfrage bei den entsprechenden Autoren erhältlich.

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Die Autoren der City University of Hong Kong danken dem Hong Kong Research Grant Council (RGC) (Grant-Nr. CityU 9610498, 21205621, 11214820 und 11209021) und der National Natural Science Foundation of China (Grant-Nr. 52101151) für die finanzielle Unterstützung ) und der Guangdong Basic and Applied Basic Research Foundation (Grant No. 2020A1515110647). LZ dankt der Natural Science Foundation of Hunan Province for Distinguished Young Scholars (Grant No. 2021JJ10062). YZ ist dankbar für die finanzielle Unterstützung durch die National Natural Science Foundation of China (Grant No. 52101135). LX dankt der National Natural Science Foundation of China für die finanzielle Unterstützung (Grant No. 52025052).

Abteilung für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik, City University of Hong Kong, Hongkong, China

Bo Xiao, Junhua Luan, CT Liu und Tao Yang

Fakultät für Maschinenbau, City University of Hong Kong, Hongkong, China

Bo Xiao, Shijun Zhao und Ji-Jung Kai

Hong Kong Institute for Advanced Study, City University of Hong Kong, Hongkong, China

Bo Xiao, CT Liu & Tao Yang

Staatliches Schlüssellabor für Pulvermetallurgie, Central South University, Changsha, 410083, China

Lijun Zhang & Shiyao Chen

School of Materials Science and Engineering, Harbin Institute of Technology (Shenzhen), Shenzhen, 518055, China

Yilu Zhao

Fakultät für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik, Tianjin-Universität, Tianjin, 300350, China

Lianyong Xu

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BX und TY konzipierten das Projekt und gestalteten die Forschung; BX und TY stellten die CCA-Barren her; SZ führte die First-Principles-Berechnungen durch; LZ und SC simulierten die Diffusionskinetik basierend auf den Diffusions-Mehrfachtechniken und der HitDIC-Software; BX, TY und YZ führten die Probenvorbereitung und TEM-Charakterisierungen durch; BX, TY und JL führten die APT-Messungen durch; BX, TY, CTL, LX und JJK analysierten die Daten und verfassten die Arbeit; Alle Autoren diskutierten die Ergebnisse und genehmigten die endgültige Fassung des Manuskripts.

Entsprechung zu Ji-Jung Kai oder Tao Yang.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

Nature Communications dankt Vincent Ji und dem anderen, anonymen Gutachter für ihren Beitrag zum Peer-Review dieser Arbeit.

Anmerkung des Herausgebers Springer Nature bleibt hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten neutral.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Xiao, B., Luan, J., Zhao, S. et al. Erzielung thermisch stabiler Nanopartikel in chemisch komplexen Legierungen durch kontrollierbare langsame Gitterdiffusion. Nat Commun 13, 4870 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-32620-6

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Eingegangen: 21. März 2022

Angenommen: 09. August 2022

Veröffentlicht: 18. August 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-022-32620-6

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