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前沿合作 | 岛津携手大连理工揭示高熵NbMoTaW合金薄膜热稳定性奥秘

发布时间:2023-01-20 阅读次数:211次

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【导读】合金与金属相比,除具有金属的特性外,还具有许多比单组分金属更优良的物理、化学或机械性能,如硬度大、密度低、耐磨、耐腐蚀等,因而广泛应用于人们的衣食住行以及航空、航天、机械制造、船舶等领域。合金的性能可以通过所添加的元素种类、含量以及合成条件等来加以调控。近期,大连理工大学李晓娜教授团队通过射频磁控溅射法制备了一系列 (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引起的局域结构转变对NbMoTaW体系性能的影响,揭示了高熵合金薄膜的高稳定性不仅源于元素本身的高熔点,而且与高无序程度和焓相互作用引起的微观结构波动有关,有望在高温、高硬度、耐磨损等条件下得到广泛应用。


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1 论文首页


该论文以“Weak enthalpy-interaction-element-modulated NbMoTaW high-entropy alloy thin films”(弱焓相互作用元素调制的 NbMoTaW 高熵合金薄膜)为题发表于国际知名期刊《Applied Surface Science》。岛津上海分析中心SPM(扫描探针显微镜)应用工程师刘仁威博士作为共同作者,使用岛津SPM-9700HT完成了薄膜样品表面电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结构与机械强度之间的关系,而干扰成分对局域结构与合金热稳定性关系的研究却很少。NbMoTaW难熔高熵合金具有单一的BCC结构,且组成元素具有较高的熔点,因而表现出良好的热稳定性,是研究局域结构与热稳定性关系的理想材料。该论文通过添加不同含量的V元素,探究了高熵NbMoTaW薄膜具有较高热稳定的原因(见图2)。

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图2 (a) BCC结构示意图,

(b)NbMoTaW难熔高熵合金,N、M表示Nb、Ta、Mo、W的随机分布,

(c~d)(NbMoTaW)100-xVx薄膜团簇中加入V元素后的原子相互作用示意图,

(e)V的添加量对NbMoTaW薄膜力学性能影响,

(f)当V含量为27.4%时,NbMoTaW薄膜的电流分布


为了更加深入地理解合金成分-结构-性能之间的关系,论文作者利用SPM建立了合金薄膜微结构-导电性的关系,研究了(NbMoTaW)100-xVx的导电机理。文中采用岛津SPM-9700HT的电流模式测试了NbMoTaW、(NbMoTaW)91.5V8.5、(NbMoTaW)72.6V27.4以及(NbMoTaW)69.5V30.5薄膜的表面形貌和电流分布(见图3)。蓝色和红色代表薄膜表面的导电性差异,蓝色区域导电性较好,而红色区域导电性较差。由图可以看出无V元素时,NbMoTaW薄膜电流分布有明显起伏,蓝色区域较多。而随V元素的加入,薄膜表面电流起伏变化明显减小,蓝色区域明显减小,当V含量达到30.5%时,蓝色区域已经很少。NbMoTaWV薄膜始终保持单一BCC结构,因此表面电流分布的变化与成分偏析密切相关。

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图3 NbMoTaW, (NbMoTaW)91.5V8.5, (NbMoTaW)72.6V27.4以及 (NbMoTaW)69.5V30.5薄膜的三维高度图(a1~a4),电流分布(b1~b4)以及将电流分布叠加到高度图上的三维图(c1~c4)


岛津SPM,您的科研好助手

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客户心声

李晓娜教授课题组合照


论文第一作者毕林霞(前排左一)表示:“为了探究了由弱焓相互作用元素V引起的局部结构转变对NbMoTaW体系的热稳定性的影响,我们制备了一系列 (NbMoTaW)100-xVx(x=0~30.5, at%)薄膜,并系统性地研究了其微观结构、力学性能以及电导率等。利用SPM表面电流模式,可以清晰地获得薄膜微区导电性能分布,并建立了微结构-导电性的关系,有助于我们深层次理解成分-结构-性能之间的关系。本工作在岛津公司上海分析中心刘仁威博士的帮助下进行,非常感谢岛津分析中心提供的大力帮助,希望今后继续合作。”


撰稿人:郑瑞


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