金属顶刊《Acta Materialia》氢气“炼钢”！氢气竟能强化合金！新型高强耐磨合金诞生！合金硬度耐磨性双双提升！
2025-01-07 11:52:05
作者：材料研究进展 来源：材料研究进展
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1研究背景
氢作为一种绿色能源载体，因其在减少化石燃料使用过程中产生的二氧化碳排放方面的潜力而备受关注。然而，氢的广泛应用需要开发能够在高温下耐受富含氢环境的先进金属合金。难熔复杂浓合金（CCAs），尤其是TiNbZrHfTa家族，因其在高温下优异的力学性能和广阔的设计空间，被认为是潜在的候选材料. 例如，这类合金在1000°C时的屈服强度约为300 MPa. 在设计CCAs时，一个关键挑战在于如何稳定单相固溶体，这通常依赖于最大化配置熵. 然而，在一些难熔CCAs中，经过热处理后，通过第二相析出和有序相形成而导致的相分解现象也时有发生.氢在多种化学物质中存在，如H2、NH3和烃类等。氢原子的尺寸非常小，其玻尔半径仅为0.529 Å，这使得氢能够轻易地进入金属晶格，尤其是对于像难熔CCAs这样的体心立方（BCC）金属，其堆积密度仅为68%。这一特性促进了氢在材料中的扩散和与宿主金属原子的相互作用。此外，氢的中等电负性（2.2）使其能够与金属元素形成多种化学键（如离子键和共价键）。长期以来，氢被视为对结构材料有害的元素，可能导致金属构件的灾难性失效，即氢脆现象。另一方面，氢与多种碱金属（如Li、Na、K）、碱土金属（如Mg）和难熔金属（如Ti、Zr、Hf）形成金属氢化物，通过可逆的相变过程，这是氢储存材料的基础。因此，深入了解氢与难熔CCAs中组成金属元素之间的相互作用对于优化其成分和微观结构，使其适用于氢富集环境中的结构材料或氢储存材料至关重要.
2成果简介
在这项研究中，研究人员揭示了在500°C下，TiNbZrHfTa等原子比复杂浓合金在暴露于H2时，纳米尺度上发生的氢辅助斯宾纳尔分解现象。该分解路径通过三维原子探针断层扫描技术探测到，表现为在H2气氛中经过长时间处理（从0.5小时到2小时）后，主要金属元素的上坡扩散行为和周期性成分调制。分解后的合金由富含Zr和Ti的针状相和富含Nb和Ta的相组成。从晶体学角度来看，斯宾纳尔特征优先沿基体相的<001>方向排列，以最小化弹性应变能。为了更好地理解氢在斯宾纳尔分解中的作用，研究人员进一步开发了一个统计热力学模型，通过引入氢来预测TiNbZrHfTa-H系统的相稳定性。分析表明，氢通过扩展斯宾纳尔区域来破坏单相固溶体的稳定性。这种纳米尺度的斯宾纳尔分解增强了所研究合金的硬度和抗磨性能。因此，这项研究不仅为氢对相稳定性的影响提供了基础见解，还展示了一种通过引入氢作为间隙合金元素来调节微观结构的新型合金设计策略.
3图文导读
图1：(a) 未处理、HT-Ar和HT-H2样品的高能X射线衍射（HEXRD）图谱和 (b) BCC211峰的放大视图。(c) 通过HEXRD峰的(sinθ)²与(h²+k²+l²)的关系图来确定未处理和HT-Ar样品的晶格参数。(d) HT-H2样品BCC211峰的去卷积放大图像.图2：(a, d) 未处理，(b, e) HT-Ar和 (c, f) HT-H2样品的背散射电子（BSE）图像及其代表性放大图像。(f)中的插图显示了具有暗（黑色）和亮（红色）对比度的区域的宽度分布.图3：(a) 典型的明场透射电子显微镜（TEM）图像，以及对应的 (b) 选区电子衍射图，显示单个BCC相。电子束沿[001]晶带轴。(c) 原子探针断层扫描（APT）三维重建图，显示Ti分布、Zr分布和叠加的Ti和Zr分布。(d, e) APT图显示基体中的Ta富集纳米特征。使用含22 at.% Ta的等浓度面突出显示Ta富集纳米特征。(f) 沿(e)中标记的青色圆柱体计算的一维浓度分布图，柱体的binning大小为0.5 nm.图4：(a) 未处理样品和 (b) HT-Ar样品中Ti和Zr分布的三维APT图。(c) 未处理样品和 (d) HT-Ar样品中主要元素沿黄色圆柱体的浓度分布图。(e) 未处理，(f) HT-Ar和 (g) HT-H2样品中Ti原子的第五近邻分布（NND）.图5：在H2中处理的样品的APT重建的Zr等浓度面，处理时间为 (a) 0.5小时，(b) 1小时和 (c) 2小时，以及对应的二维等高线图。(d) 沿(a-c)中标记的黄色圆柱体的Zr一维浓度分布图，误差条表示每个柱体计数统计的标准偏差。(e) 在H2下退火时间下斯宾纳尔波长的演变.
4小结
研究表明，氢可以作为一种有效的工具来改变TiNbZrHfTa等原子比复杂浓合金在500°C下的局部热力学环境，促进斯宾纳尔分解。形成了一种周期性调制的化学模式，波长约为13 nm，由富含Ti和Zr的一个相和富含Nb和Ta的另一个相组成。针状的斯宾纳尔特征优先沿<001>方向排列，以最小化系统的弹性应变能。这种氢辅助的斯宾纳尔分解通过氢改变系统的局部热力学景观而得到合理化，从而扩展了斯宾纳尔区域。此外，研究人员还展示了这种氢辅助的斯宾纳尔分解可以提高合金系统的硬度和耐磨性。因此，这项研究展示了一种通过从热处理环境中引入氢作为获得的合金元素来触发斯宾纳尔分解的新型策略，为设计亚稳态合金和提高力学性能开辟了新的途径.
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2024.120707
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