Advanced Functional Materials: 探索超固溶高熵合金中的调幅分解对磁性的影响

高熵合金最初被认为具有极高的构型熵,而这种高构型熵的特点让高熵合金能够维持单相或者多相固溶态。研究发现一些具有固溶态的高熵合金具有优异的力学性能以及多功能性,从而使这类材料得到了广泛的关注。然而随着研究的深入人们发现并不是所有的高熵合金都具有稳定的固溶态,而大部分的高熵合金都会随着温度的变化产生相分离、析出金属间化合物等。相对传统材料而言,这些非固溶态的高熵合金是否也同样具有优异的多功能性是现在亟需探索研究的科学问题。

德国马普所D. Raabe教授、中南大学李志明教授与南方科技大学逯文君教授科研团队针对这一问题对具有全局调幅分解的亚稳态高熵合金进行研究时发现:通过对高熵合金进行中温时效处理,生成分布均匀,形态规则,界面共格的调幅分解组织能够极大的提高合金的居里温度从而提高磁性性能。第一性原理计算揭示这种巨大的磁性提高来源于高熵合金基体中调幅分解组织提供的巨大的共格应力。相关结果发表在Advanced Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.202007668)上,第一作者为博士生饶梓元。

相较于被广泛研究过的具有固溶形态的高熵合金,具有亚稳定态和调幅分解组织的高熵合金极少被研究其功能性。要设计具有全局调幅分解的高熵合金非常困难,因为高熵合金具有4个或以上的组成元素,极难计算相应相图作为合金设计参考。该研究团队成功设计出了第一个具有全局调幅分解的高熵合金。通过原位透射电子显微镜的加热观察,该合金在中温时效后生成富铜相和富铁钴相,这两相同时具有复杂的高熵合金成分以及互相共格的面心立方结构。通过三维原子探针的分析发现,在600度加热的过程中,两相的成分和体积随时间呈周期性的增长,符合调幅分解的典型特征。

相较于未时效处理的合金,时效处理240小时后的合金具有分布均匀,形态规则,共格的调幅分解组织,居里温度提高了48%,而室温下的磁化强度提高了70%。第一性原理计算发现时效处理后的共格应力在1.5% 到 4%之间,这种巨大的共格应力来源于高熵合金特有的复杂成分的环境中,从而极大地提高了合金的磁学性能。这一研究成果大幅度拓宽了高熵合金磁性方面的设计理念和应用,为开发优异磁性的先进功能材料开辟了新的途径和方法。此项工作也得到国家留学基金委、国家自然基金委、德国国家科学自然基金和湖南省创新驱动经费的支持。