[論文レビュー] Enabling plastic co-deformation of disparate phases in a laser rapid solidified Sr-modified Al-Si eutectic through partial-dislocation-mediated-plasticity in Si

Arkajit Ghosh, Wenqian Wu+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 30, 2023

Advanced Surface Polishing TechniquesEngineering参考文献 54被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、レーザー急速凝固とスズ（Sr）ドーピングを用いることで、ナノタングルドシリコン繊維における部分的不純物欠陥を介した延性を実現し、レーザー急速凝固処理を施したSrドーピングされたAl-Si共晶組織において、プラスチックな共変形を実証した。レーザー凝固とSrドーピングの組み合わせにより、シリコン繊維のピエールス障壁とアスペクト比が低下し、亀裂の発生が抑制され、26%のひずみまで安定した塑性変形が可能となり、圧縮流動強度は約840 MPa、硬度は2.9 GPaに達した。

ABSTRACT

Nano-scale eutectics, such as rapid solidified Al-Si, exhibit enhanced yield strength and strain hardening but plasticity is limited by cracking of the hard phase (Si). Mechanisms that may suppress cracking and enable plastic co-deformation of soft and hard phases are key to maximizing plasticity in these high-strength microstructures. Using a combination of laser rapid solidification and chemical (Sr) modification, we have synthesized fully eutectic Al-Si microstructures with heavily twinned Si nano-fibers that exhibit high hardness up to 2.9 GPa, and high compressive flow strength (~840 MPa) with stable plastic flow to ~26% plastic strain. After deformation, the hard Si(Sr) fibers did not exhibit cracks, but a high density of stacking faults were observed in the Si(Sr) fibers suggesting partial dislocation mediated plasticity. Mechanisms for suppression of cracking and activation of partial dislocations in Si deformed at room temperature are discussed in terms of nanoscale fiber geometry with reduced aspect ratio and lowering of the Peierls barrier in chemically-modified, nano-twinned Si fibers.

研究の動機と目的

• シリコン相の破壊による高強度Al-Si共晶複合材料の延性が制限されている問題を克服すること。
• ナノ構造的共晶微細組織において、柔らかいAl相と硬いSi相の間で塑性的共変形を可能にすること。
• 室温でのシリコンにおける部分的不純物欠陥活動を可能にするメカニズムを調査すること。
• ナノタングルドとSrドーピングが、変形中におけるSi繊維内の亀裂形成をどのように抑制するかを理解すること。
• レーザー処理を施したAl-Si共晶材料で、高強度と高延性を同時に達成すること。

提案手法

• レーザー急速凝固を用いて、微細でナノスケールのSi繊維を有する完全な共晶Al-Si微細組織を生成した。
• スズ（Sr）ドーピングを施して、シリコンの電子構造を変化させ、ピエールス障壁を低減した。
• 変形後の微細組織の変化と不純物欠陥の配置を分析するために、透過型電子顕微鏡（TEM）を用いた。
• 変形後のSi繊維における積層欠陥密度を定量的に測定し、部分的不純物欠陥を介した塑性変形の確認を行った。
• 流動強度と破断までの塑性ひずみを測定するために、圧縮機械的試験を実施した。
• 処理パラメータを制御することで、ナノスケールの繊維幾何形状（特にアスペクト比の低減）を設計し、延性を向上させた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ナノ構造的Al-Si共晶において、柔らかいAl相と硬いSi相の間で、どのようにして塑性的共変形を可能にすることができるか？
• RQ2 室温でのシリコンにおける塑性を可能にする部分的不純物欠陥活動が果たす役割は何か？
• RQ3 Srドーピングが、ナノタングルドシリコンにおけるピエールス障壁と不純物欠陥の移動度にどのように影響するか？
• RQ4 変形中にSi繊維内の亀裂形成を抑制する微細組織的特徴は何か？
• RQ5 レーザー急速凝固と化学的ドーピングが、Al-Si共晶材料の強度と延性をどの程度向上させることができるか？

主な発見

• Srドーピングを施し、レーザー急速凝固処理を施したAl-Si共晶組織は、圧縮流動強度が約840 MPaに達した。
• Si相に亀裂の拡大を伴わず、26%の塑性ひずみまで安定した塑性変形が実現された。
• 変形後のSi(Sr)繊維では高密度の積層欠陥が観察され、部分的不純物欠陥を介した塑性変形が確認された。
• Srによる固溶強化とナノタングルドの効果により、材料の硬度は2.9 GPaに達した。
• Srドーピングを施したナノタングルドSi繊維におけるアスペクト比の低減とピエールス障壁の低下が、亀裂形成の抑制に重要であった。
• レーザー処理とSrドーピングの組み合わせにより、共晶Al-Si系で高強度と高延性を同時に実現できた。