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島津攜手大連理工揭示高熵NbMoTaW合金薄膜熱穩(wěn)定性奧秘
【導(dǎo)讀】合金與金屬相比，除具有金屬的特性外，還具有許多比單組分金屬更優(yōu)良的物理、化學(xué)或機(jī)械性能，如硬度大、密度低、耐磨、耐腐蝕等，因而廣泛應(yīng)用于人們的衣食住行以及航空、航天、機(jī)械制造、船舶等領(lǐng)域。合金的性能可以通過所添加的元素種類、含量以及合成條件等來加以調(diào)控。近期，大連理工大學(xué)李曉娜教授團(tuán)隊通過射頻磁控濺射法制備了一系列 (NbMoTaW)100-xVx (x = 0 ~ 30.5, at%) 合金薄膜，探究了由弱焓相互作用元素V引起的局域結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變對NbMoTaW體系性能的影響，揭示了高熵合金薄膜的高穩(wěn)定性不僅源于元素本身的高熔點(diǎn)，而且與高無序程度和焓相互作用引起的微觀結(jié)構(gòu)波動有關(guān)，有望在高溫、高硬度、耐磨損等條件下得到廣泛應(yīng)用。
圖1 論文首頁
該論文以“Weak enthalpy-interaction-element-modulated NbMoTaW high-entropy alloy thin films"（弱焓相互作用元素調(diào)制的 NbMoTaW 高熵合金薄膜）為題發(fā)表于國際知名期刊《Applied Surface Science》。島津上海分析中心SPM（掃描探針顯微鏡）應(yīng)用工程師劉仁威博士作為共同作者，使用島津SPM-9700HT完成了薄膜樣品表面電流的表征和分析工作。
研究成果掠影
目前，很多工作研究了合金的局域結(jié)構(gòu)與機(jī)械強(qiáng)度之間的關(guān)系，而干擾成分對局域結(jié)構(gòu)與合金熱穩(wěn)定性關(guān)系的研究卻很少。NbMoTaW難熔高熵合金具有單一的BCC結(jié)構(gòu)，且組成元素具有較高的熔點(diǎn)，因而表現(xiàn)出良好的熱穩(wěn)定性，是研究局域結(jié)構(gòu)與熱穩(wěn)定性關(guān)系的理想材料。該論文通過添加不同含量的V元素，探究了高熵NbMoTaW薄膜具有較高熱穩(wěn)定的原因（見圖2）。
圖2 (a) BCC結(jié)構(gòu)示意圖，
(b)NbMoTaW難熔高熵合金，N、M表示Nb、Ta、Mo、W的隨機(jī)分布，
(c~d)(NbMoTaW)100-xVx薄膜團(tuán)簇中加入V元素后的原子相互作用示意圖，
(e)V的添加量對NbMoTaW薄膜力學(xué)性能影響，
(f)當(dāng)V含量為27.4%時，NbMoTaW薄膜的電流分布
為了更加深入地理解合金成分-結(jié)構(gòu)-性能之間的關(guān)系，論文作者利用SPM建立了合金薄膜微結(jié)構(gòu)-導(dǎo)電性的關(guān)系，研究了(NbMoTaW)100-xVx的導(dǎo)電機(jī)理。文中采用島津SPM-9700HT的電流模式測試了NbMoTaW、(NbMoTaW)91.5V8.5、(NbMoTaW)72.6V27.4以及(NbMoTaW)69.5V30.5薄膜的表面形貌和電流分布（見圖3）。藍(lán)色和紅色代表薄膜表面的導(dǎo)電性差異，藍(lán)色區(qū)域?qū)щ娦暂^好，而紅色區(qū)域?qū)щ娦暂^差。由圖可以看出無V元素時，NbMoTaW薄膜電流分布有明顯起伏，藍(lán)色區(qū)域較多。而隨V元素的加入，薄膜表面電流起伏變化明顯減小，藍(lán)色區(qū)域明顯減小，當(dāng)V含量達(dá)到30.5%時，藍(lán)色區(qū)域已經(jīng)很少。NbMoTaWV薄膜始終保持單一BCC結(jié)構(gòu)，因此表面電流分布的變化與成分偏析密切相關(guān)。
V元素的加入不僅降低了由成分偏析導(dǎo)致的電導(dǎo)率差異，而且改善了成分或電導(dǎo)率的均勻性，提高了電阻率，這與STEM成分分析和電阻率測量結(jié)果一致。此外，通過對三維表面高度圖和電流分布圖進(jìn)行疊加，可以消除由于粗糙度引起的表面電流變化。
圖3 NbMoTaW, (NbMoTaW)91.5V8.5, (NbMoTaW)72.6V27.4以及 (NbMoTaW)69.5V30.5薄膜的三維高度圖(a1~a4)，電流分布(b1~b4)以及將電流分布疊加到高度圖上的三維圖(c1~c4)
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客戶心聲
李曉娜教授課題組合照
論文第一作者畢林霞（前排左一）表示：“為了探究了由弱焓相互作用元素V引起的局部結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變對NbMoTaW體系的熱穩(wěn)定性的影響，我們制備了一系列 (NbMoTaW)100-xVx(x=0~30.5, at%)薄膜，并系統(tǒng)性地研究了其微觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能以及電導(dǎo)率等。利用SPM表面電流模式，可以清晰地獲得薄膜微區(qū)導(dǎo)電性能分布，并建立了微結(jié)構(gòu)-導(dǎo)電性的關(guān)系，有助于我們深層次理解成分-結(jié)構(gòu)-性能之間的關(guān)系。本工作在島津公司上海分析中心劉仁威博士的幫助下進(jìn)行，非常感謝島津分析中心提供的大力幫助，希望今后繼續(xù)合作。"
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