原子能级成像可以使金属具有前所未有的特性

这种新的含钯高熵合金的示意图说明了新合金如何包含大的钯簇（蓝色原子）。

由几种基本金属的几乎相等的部分制成的高熵合金，在制造具有优异机械性能的材料方面具有巨大的潜力。

但是，由于几乎没有可能的组合数量，冶金学家面临的一个挑战是弄清楚将研究工作集中在广阔的，尚未探索的金属混合物世界上的地方。

佐治亚理工学院的一组研究人员开发了一种新工艺，可以帮助指导此类工作。他们的方法涉及建立原子分辨率化学图谱，以帮助获得对单个高熵合金的新见解并帮助表征其性能。

在2019年10月9日发表在《自然》杂志上的一项研究中，研究人员描述了使用能量色散X射线光谱学在两种高熵合金中创建非金属元素的图的方法。这种光谱技术与透射电子显微镜结合使用，可在电子束轰击过程中检测出样品发出的X射线，以表征被分析样品的元素组成。这些图显示了独立原子如何在合金中自我排列，从而使研究人员能够寻找有助于他们设计强调独立性质的合金的图案。

例如，这些地图可以为研究人员提供线索，以了解为什么用一种金属代替另一种金属可以使合金更强或更弱，或者在极端寒冷的环境中为什么一种金属的性能优于其他金属。

佐治亚理工学院乔治W.伍德拉夫机械工程学院的教授Ting Zhu帮助开发了一种新工艺，以了解单个高熵合金并鉴定其特性。

“工程应用中使用的大多数合金只有一种主要金属，例如钢中的铁或镍基超级合金中的镍，还有相对少量的其他金属，”乔治·W·伍德拉夫学院（George W. Woodruff School）教授朱婷说。佐治亚理工学院机械工程系。“这些新合金中五种或五种以上金属的相对较高浓度开辟了非常规合金可能具有空前的性能的可能性。但这是一个尚未探索的新的合成空间，我们对此类材料的理解仍然非常有限。”

术语“高熵”是指金属混合物中缺乏均匀性，以及来自金属的原子在结合时可以排列多少种不同且有些随机的方式。

朱说，新的地图可以帮助研究人员确定这种合金所采用的非常规原子结构是否可用于工程应用，以及研究人员可以对混合物进行多少控制以“调整”它们的特定特性。

为了测试这种新的成像方法，研究小组比较了两种含有五种金属的高熵合金。一种是铬，铁，钴，镍和锰的混合物，通常称为“ Cantor”合金。另一个类似，但用钯代替了锰。一次取代导致原子在混合物中如何排列自己，从而产生了截然不同的行为。

“在Cantor合金中，所有五个元素的分布始终是随机的，” Zhu说。“但是在含有钯的新型合金中，由于钯原子的原子尺寸相差很大，并且与其他元素相比，它们的电负性也不同，因此这些元素表现出明显的聚集。”

在新的含钯合金中，该图显示钯倾向于形成大的团簇，而钴似乎聚集在铁浓度低的地方。

这些聚集体的大小和间距在几纳米的范围内，具有很强的抗变形能力，可以解释从一种高熵合金到另一种高熵合金的机械性能差异。在应变测试中，含钯合金显示出更高的屈服强度，同时保持了与Cantor合金相似的应变硬化和拉伸延展性。

该论文的合著者，浙江大学教授钱玉说：“元素分布的原子尺度调制产生了晶格电阻的波动，这极大地调节了位错行为。”“这种调制发生的规模要比沉淀硬化要细，并且要比传统的固溶强化更大。它提供了对高熵合金的固有特性的理解。”

这些发现可能使研究人员能够在将来利用一种或另一种特性来定制合金设计。

加州大学伯克利分校的另一位合著者兼教授罗伯特·里奇（Robert Ritchie）表示：“我们认为这项工作非常重要，因为在这些极高轮廓，高熵的合金中进行局部化学排序对于决定其性能至关重要。”“实际上，这提供了一种通过原子设计定制这些材料以获得最佳性能的方法。”

该小组还包括来自田纳西大学诺克斯维尔分校的研究人员。清华大学和中国科学院

该研究得到了美国国家科学基金会的资助，授权号为DMR-1810720，能源部通过合同号为DE-AC02-05CH11231，中国国家自然科学基金会的资助为B16042，以及国家重点计划。中国基础研究，2015CB659300资助。内容反映了作者的观点，并不一定代表赞助机构的正式观点。

参考：丁庆青，张茵，陈晓，傅小倩，陈登科，陈思静，林谷，费伟，贝洪斌，高彦飞，高敏如，“高熵合金中元素的调谐元素分布，结构和性质”。李继学，张泽，朱婷，罗伯特·里奇和钱玉，2019年10月9日，自然。
10.1038 / s41586-019-1617-1