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Oct 25, 2023

Ottenimento di nanoparticelle termicamente stabili in leghe chimicamente complesse tramite diffusione reticolare lenta controllabile

Nature Communications volume 13, numero articolo: 4870 (2022) Cita questo articolo 6363 Accessi 23 Citazioni 23 Dettagli sulle metriche alternative Il rafforzamento delle nanoparticelle fornisce una base cruciale per

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Dettagli sulle metriche

Il rafforzamento delle nanoparticelle fornisce una base cruciale per lo sviluppo di materiali strutturali ad alte prestazioni con proprietà meccaniche potenzialmente eccellenti per applicazioni strutturali. Tuttavia, la saggezza generale spesso non funziona bene a causa della scarsa stabilità termica delle nanoparticelle, e il rapido ingrossamento di queste particelle porterà a guasti accelerati di questi materiali, soprattutto a temperature elevate. Qui, dimostriamo una strategia per ottenere nanoparticelle ultrastabili a 800 ~ 1000 ° C in una lega chimicamente complessa Ni59.9-xCoxFe13Cr15Al6Ti6B0.1 (at.%), risultante dall'effetto di diffusione reticolare lenta controllabile (SLD). Le nostre simulazioni cinetiche di diffusione rivelano che l'elemento Co porta ad una significativa riduzione dei coefficienti di interdiffusione di tutti gli elementi principali, in particolare dell'elemento Al, con un massimo fino a 5 ordini di grandezza. Utilizzando i calcoli dei principi primi, sveliamo ulteriormente che l'incomprimibilità dell'Al indotta dall'aumento della concentrazione di Co gioca un ruolo fondamentale nel controllo dell'effetto SLD. Questi risultati sono utili per fornire progressi nella progettazione di nuove leghe strutturali con straordinarie combinazioni proprietà-stabilità della microstruttura per applicazioni strutturali.

I materiali contenenti nanostrutture ben stabilizzate hanno apportato vantaggi salienti nella ricerca di combinazioni di proprietà uniche, sia strutturali che funzionali, offrendo una grande promessa per il raggiungimento di una migliore efficienza energetica e della neutralità del carbonio1,2,3,4,5. Di particolare interesse, il “rafforzamento delle nanoparticelle”, come potente strategia, è stato ampiamente applicato per l’innovazione di materiali ad alta resistenza come le leghe di Al avanzate6,7, gli acciai8,9,10,11 e le superleghe12,13,14, tutti di che svolgono un ruolo cruciale in vari campi tecnologici e industriali, come l’ingegneria aerospaziale, automobilistica e nucleare. Sfortunatamente, queste particelle fini della seconda fase su scala nanometrica sono inevitabilmente soggette a un rapido ingrossamento, che diminuisce drasticamente la capacità di carico dei materiali ospiti e di conseguenza porta a guasti catastrofici15,16,17,18. Nonostante siano stati compiuti numerosi sforzi19,20, questo comportamento di ingrossamento indesiderato persiste come tallone d'Achille per molte leghe strutturali, specialmente per quelle che servono a temperature elevate. In particolare, la recente scoperta di leghe chimicamente complesse (CCA) si è rivelata un nuovo paradigma per lo sviluppo di nuovi materiali strutturali con proprietà fisiche e meccaniche uniche21,22,23,24,25,26,27,28,29. In particolare, il cosiddetto effetto di diffusione reticolare lenta (SLD)30,31,32,33 conferisce potenzialmente a diversi CCA una notevole stabilità termica34,35,36,37,38,39,40. Fino ad ora, tuttavia, a causa della mancanza di comprensione quantitativa, il meccanismo alla base dell’effetto SLD non è stato ben chiarito e la sua origine atomistica rimane ancora oggi misteriosa. Ciò, in modo frustrante, rende incontrollabile il raggiungimento di nanostrutture ultrastabili (USNS) nelle CCA.

Nel presente studio, attraverso una combinazione di varie tecniche sperimentali complementari e simulazioni teoriche, troviamo la chiave per stabilizzare efficacemente le nanoparticelle di seconda fase in un sistema metallico ad alta entropia NiCoFeCrAlTiB chimicamente complesso. Più specificamente, riveliamo che adattare la concentrazione dell'elemento Co può governare in modo controllabile l'effetto SLD in modo quantitativo, il che ci consente di impedire sostanzialmente il rapido ingrossamento delle nanoparticelle a temperature elevate fino a 1000 °C. Questi risultati possono aprire la strada allo sviluppo di una progettazione efficiente di leghe ad alte prestazioni con buone proprietà meccaniche e termiche per applicazioni strutturali ad alta temperatura.

Per esplorare l'effetto significativo dell'elemento Co sulla cinetica di diffusione lenta nei CCA, tre leghe sperimentali, Ni59.9-xCoxFe13Cr15Al6Ti6B0.1 (x = 0, 15 e 30 at%%, indicate come 0Co, 15Co e 30Co CCA), sono stati fusi tramite fusione ad arco e successivamente, seguiti da un trattamento di invecchiamento termico (vedere i dettagli in "Metodi"). Come mostrato in Fig. 1a-c, le dimensioni medie delle nanoparticelle per i tre CCA con 0Co, 15Co e 30Co sono rispettivamente valutate come 1011,4 ± 235,4 nm (Fig. 1a), 677,6 ± 111,5 nm (Fig. 1b), e 567,3 ± 79,8 nm (Fig. 1c) invecchiati a 1000 ° C per 240 ore. Mostriamo anche le tipiche micrografie al microscopio elettronico a scansione (SEM) dei CCA 0Co, 15Co e 30Co a ​​800, 900 e 1000 ° C per durate diverse (24 h, 72 h, 168 h e 240 h), vedere Supplementare Fichi. 1–3. Valutiamo ulteriormente quantitativamente le evoluzioni dimensionali medie delle nanoparticelle nei tre CCA con la variazione del tempo di invecchiamento a diverse temperature (vedi dettagli in "Metodi"), come fornito in Fig. 1d-f. I nostri esperimenti indicano che le maggiori concentrazioni di elemento Co possono ridurre sostanzialmente la dimensione media delle particelle e migliorare ulteriormente la stabilità termica di queste nanoparticelle.