Alcançar nanopartículas termicamente estáveis ​​em ligas quimicamente complexas através de difusão de rede lenta controlável

Nature Communications volume 13, número do artigo: 4870 (2022) Citar este artigo

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O fortalecimento de nanopartículas fornece uma base crucial para o desenvolvimento de materiais estruturais de alto desempenho com propriedades mecânicas potencialmente excelentes para aplicações estruturais. No entanto, a sabedoria geral muitas vezes não funciona bem devido à fraca estabilidade térmica das nanopartículas, e o rápido engrossamento destas partículas levará a falhas aceleradas destes materiais, especialmente a temperaturas elevadas. Aqui, demonstramos uma estratégia para obter nanopartículas ultraestáveis ​​a 800 ~ 1000 ° C em uma liga quimicamente complexa Ni59.9-xCoxFe13Cr15Al6Ti6B0.1 (at.%), resultante do efeito controlável de difusão de rede lenta (SLD). Nossas simulações cinéticas de difusão revelam que o elemento Co leva a uma redução significativa nos coeficientes de interdifusão de todos os elementos principais, especialmente para o elemento Al, com um máximo de até 5 ordens de grandeza. Utilizando cálculos de primeiros princípios, revelamos ainda que a incompressibilidade do Al induzida pelo aumento da concentração de Co desempenha um papel crítico no controle do efeito SLD. Essas descobertas são úteis para fornecer avanços no projeto de novas ligas estruturais com extraordinárias combinações de propriedade-estabilidade microestrutural para aplicações estruturais.

Os materiais que contêm nanoestruturas bem estabilizadas apresentam vantagens salientes na busca de combinações únicas de propriedades, incluindo estruturais e funcionais, sendo uma grande promessa para alcançar maior eficiência energética e neutralidade de carbono1,2,3,4,5. De particular interesse, o “fortalecimento de nanopartículas”, como uma estratégia poderosa, tem sido amplamente aplicado para a inovação de materiais de alta resistência, como ligas avançadas de Al6,7, aços8,9,10,11 e superligas12,13,14, todos eles que desempenham papéis cruciais em vários campos tecnológicos e industriais, como engenharia aeroespacial, automotiva e nuclear. Infelizmente, essas partículas finas de segunda fase em nanoescala são inevitavelmente propensas ao rápido engrossamento, o que diminui drasticamente a capacidade de suporte de carga dos materiais hospedeiros e, consequentemente, leva a falhas catastróficas . Embora numerosos esforços tenham sido feitos19,20, esse comportamento indesejado de engrossamento persiste como o calcanhar de Aquiles para muitas ligas estruturais, especialmente para aquelas que servem em temperaturas elevadas. Notavelmente, a recente descoberta de ligas quimicamente complexas (CCAs) foi demonstrada como um novo paradigma para o desenvolvimento de novos materiais estruturais com propriedades físicas e mecânicas únicas . Em particular, o chamado efeito de difusão em rede lenta (SLD) confere potencialmente a vários CCAs uma notável estabilidade térmica . Até agora, no entanto, devido à falta de compreensão quantitativa, o mecanismo subjacente do efeito SLD não foi bem elucidado e a sua origem atomística ainda permanece misteriosa na atualidade. Isto, frustrantemente, torna incontrolável a obtenção de nanoestruturas ultraestáveis ​​(USNSs) em CCAs.

No presente estudo, através de uma combinação de várias técnicas experimentais complementares e simulações teóricas, encontramos a chave para estabilizar efetivamente as nanopartículas de segunda fase em um sistema metálico de alta entropia NiCoFeCrAlTiB quimicamente complexo. Mais especificamente, revelamos que adaptar a concentração do elemento Co pode governar de forma controlada o efeito SLD de maneira quantitativa, o que nos permite evitar substancialmente o rápido engrossamento das nanopartículas em altas temperaturas de até 1000 °C. Esses resultados podem abrir caminho para o desenvolvimento de um projeto eficiente de ligas de alto desempenho com boas propriedades mecânicas e térmicas para aplicações estruturais de alta temperatura.

Para explorar o efeito significativo do elemento Co na cinética de difusão lenta em CCAs, três ligas experimentais, Ni59.9-xCoxFe13Cr15Al6Ti6B0.1 (x = 0, 15 e 30 at.%, denotadas como 0Co, 15Co e 30Co CCAs), foram fundidos por fusão a arco e, posteriormente, seguidos por processamento de envelhecimento térmico (ver detalhes em “Métodos”). 1a-c, os tamanhos médios das nanopartículas para os três CCAs com 0Co, 15Co e 30Co são avaliados respectivamente como 1011,4 ± 235,4 nm (Fig. 1a), 677,6 ± 111,5 nm (Fig. 1b), e 567,3 ± 79,8 nm (Fig. 1c) envelhecido a 1000 °C por 240 h. Também apresentamos as micrografias típicas de microscopia eletrônica de varredura (SEM) dos CCAs 0Co, 15Co e 30Co a ​​800, 900 e 1000 ° C por diferentes durações (24 h, 72 h, 168 h e 240 h), consulte Suplemento Figos. 1–3. Avaliamos ainda quantitativamente as evoluções do tamanho médio das nanopartículas nos três CCAs com a variação do tempo de envelhecimento em diferentes temperaturas (ver detalhes em “Métodos”), conforme fornecido na Fig. Nossos experimentos indicam que o aumento das concentrações do elemento Co pode reduzir substancialmente o tamanho médio das partículas e melhorar ainda mais a estabilidade térmica dessas nanopartículas.