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Oct 25, 2023
制御可能な遅い格子拡散により、化学的に複雑な合金で熱的に安定なナノ粒子を実現
Nature Communications volume 13、記事番号: 4870 (2022) この記事を引用する 6363 アクセス数 23 引用数 23 Altmetric Metrics の詳細 ナノ粒子の強化は、
Nature Communications volume 13、記事番号: 4870 (2022) この記事を引用
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メトリクスの詳細
ナノ粒子強化は、構造用途向けに潜在的に優れた機械的特性を備えた高性能構造材料を開発するための重要な基盤となります。 しかし、ナノ粒子は熱安定性が低いため、一般通念はうまく機能しないことが多く、特に高温ではナノ粒子の急速な粗大化により、これらの材料の破損が加速されます。 今回我々は、Ni59.9-xCoxFe13Cr15Al6Ti6B0.1 (at.%) の化学的に複雑な合金において、制御可能な緩徐格子拡散 (SLD) 効果により、800 ～ 1000 °C で超安定なナノ粒子を実現する戦略を実証します。 私たちの拡散速度論的シミュレーションでは、Co 元素がすべての主要元素、特に Al 元素の相互拡散係数を最大 5 桁まで大幅に減少させることが明らかになりました。 第一原理計算を利用して、Co 濃度の増加によって引き起こされる Al の非圧縮性が SLD 効果の制御に重要な役割を果たしていることがさらに明らかになりました。 これらの発見は、構造用途向けの並外れた特性と微細構造安定性の組み合わせを備えた新規な構造合金の設計を進歩させるのに役立ちます。
十分に安定化されたナノ構造を含む材料は、構造的および機能的の両方を含む独自の特性の組み合わせを追求する際に顕著な利点をもたらし、エネルギー効率の向上とカーボンニュートラルの達成に大きな期待を寄せています1、2、3、4、5。 特に興味深いのは、強力な戦略としての「ナノ粒子強化」であり、最先端の Al 合金 6、7、鋼 8、9、10、11、超合金 12、13、14 などの高強度材料の革新に広く適用されています。航空宇宙、自動車、原子力工学など、さまざまな技術および産業分野で重要な役割を果たしています。 残念ながら、ナノスケールのこれらの第 2 相の微粒子は必然的に急速に粗大化する傾向があり、これによりホスト材料の耐荷重能力が大幅に低下し、その結果、壊滅的な故障が発生します 15、16、17、18。 多くの努力がなされてきましたが 19,20、このような望ましくない粗大化挙動は、多くの構造用合金、特に高温で使用される合金のアキレス腱として残り続けます。 特に、化学的複合合金（CCA）の最近の発見は、独特の物理的および機械的特性を備えた新規な構造材料を開発するための新しいパラダイムとして実証されています21、22、23、24、25、26、27、28、29。 特に、いわゆる遅い格子拡散（SLD）効果30、31、32、33は、いくつかのCCAに顕著な熱安定性を与える可能性があります34、35、36、37、38、39、40。 しかし、これまで定量的な理解が不足していたため、SLD 効果の根本的なメカニズムは十分に解明されておらず、その原子起源は現時点でも依然として謎に包まれています。 もどかしいことに、これにより、CCA での超安定ナノ構造 (USNS) の達成が制御不能になります。
本研究では、さまざまな相補的な実験技術と理論的シミュレーションの組み合わせを通じて、化学的に複雑なNiCoFeCrAlTiB高エントロピー金属系における第2相ナノ粒子を効果的に安定化する鍵を発見した。 より具体的には、Co元素の濃度を調整することでSLD効果を定量的に制御でき、1000℃までの高温でのナノ粒子の急速な粗大化を実質的に防ぐことができることを明らかにした。 これらの結果は、高温構造用途向けに優れた機械的特性と熱的特性の両方を備えた高性能合金の効率的な設計を開発する道を開く可能性があります。
CCA の遅い拡散速度に対する Co 元素の重要な影響を調査するために、3 つの実験合金 Ni59.9-xCoxFe13Cr15Al6Ti6B0.1 (x = 0、15、および 30 at.%、0Co、15Co、および 30Co として示されます) を使用しました。 CCA）は、アーク溶解によって鋳造され、その後、熱老化処理が続きます（詳細は「方法」を参照）。 図1a〜cに示すように、0Co、15Co、および30Coを含む3つのCCAのナノ粒子の平均サイズは、それぞれ1011.4±235.4nm（図1a）、677.6±111.5nm（図1b）と評価されます。および 1000 °C で 240 時間エージングした場合の 567.3 ± 79.8 nm (図 1c)。 また、800、900、および1000℃でのさまざまな期間（24時間、72時間、168時間、および240時間）における0Co、15Co、および30Co CCAの典型的な走査型電子顕微鏡（SEM）顕微鏡写真も紹介します。補足を参照してください。図。 1～3。 さらに、図1d〜fに示すように、さまざまな温度でのエージング時間の変化による3つのCCAのナノ粒子の平均サイズの変化を定量的に評価します（詳細は「方法」を参照）。 私たちの実験は、Co 元素の濃度を高めると平均粒子サイズが大幅に減少し、これらのナノ粒子の熱安定性がさらに向上することを示しています。