[論文レビュー] Probing local lattice distortion in medium- and high-entropy alloys

Yang Tong, Gihan Velişa+10 more|arXiv (Cornell University)|Jul 24, 2017

High Entropy Alloys Studies参考文献 39被引用数 14

ひとこと要約

本研究では、X線全散乱および拡張X線吸収細乱構造（EXAFS）を用いて、中・高エントロピー合金における局所格子歪みを調査し、原子スケールの不規則性を定量的に評価した。FeCoNiCrPd HEAは、放射線誘発欠険のピン留めを効果的に行うPd-Pdペアの優先的形成により、FeCoNiCrおよびFeCoNiCrMn合金と比較して、放射線耐性が向上する強い、放射線増幅局所格子歪みを示した。

ABSTRACT

The atomic-level tunability that results from alloying multiple transition metals with d electrons in concentrated solid solution alloys (CSAs), including high-entropy alloys (HEAs), has produced remarkable properties for advanced energy applications, in particular, damage resistance in high-radiation environments. The key to understanding CSAs radiation performance is quantitatively characterizing their complex local physical and chemical environments. In this study, the local structure of a FeCoNiCrPd HEA is quantitatively analyzed with X-ray total scattering and extended X-ray absorption fine structure methods. Compared to FeCoNiCr and FeCoNiCrMn, FeCoNiCrPd with a quasi-random alloy structure has a strong local lattice distortion, which effectively pins radiation-induced defects. Distinct from a relaxation behavior in FeCoNiCr and FeCoNiCrMn, ion irradiation further enhanced the local lattice distortion in FeCoNiCrPd due to a preference for forming Pd-Pd atomic pairs.

研究の動機と目的

• 濃縮固体ソリューション合金（CSAs）における放射線耐性を決定づける局所格子歪みの役割を理解すること。
• 複雑な多主成分を有する中・高エントロピー合金（HEAs）における局所原子環境を定量すること。
• イオン照射がFeCoNiCrPd HEAにおける局所格子歪みに与える影響を、FeCoNiCrおよびFeCoNiCrMnと比較して調査すること。
• 特にPd-Pdペア形成といった原子スケールのメカニズムが、照射下での欠陥ピン留めをどのように強化するかを同定すること。
• 局所構造的不規則性とHEAsにおける放射線耐性との間の定量的関係を確立すること。

提案手法

• FeCoNiCrPd HEAにおける径分布関数（RDF）をプローブし、局所原子対分布関数（PDFs）を抽出するためにX線全散乱を用いた。
• 特にPdを対象として、特定元素周囲の局所協調環境を分析するために拡張X線吸収細乱構造（EXAFS）を適用した。
• PDF解析を用いて、理想格子定数からのずれを定量し、原子スケールでの局所格子歪みを同定した。
• 照射済みおよび非照射試料を比較することで、イオン照射下における局所構造の変化を評価した。
• Pd-Pd原子ペアの生成確率を分析し、局所格子歪みの増幅および欠陥ピン留めと相関づけた。
• 準ランダム合金モデルを用いて実験データを解釈し、短距離秩序効果と長距離不規則性を区別した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 FeCoNiCrPd HEAは、FeCoNiCrおよびFeCoNiCrMn HEAsと比較して、どのように局所格子歪みが異なるか？
• RQ2 イオン照射は、FeCoNiCrPd HEAにおける局所格子歪みにどのような影響を及ぼすか？
• RQ3 なぜFeCoNiCrPdは他のHEAsと比較して放射線耐性が向上するのか？
• RQ4 Pd-Pd原子ペアは、局所格子歪みおよび欠陥ピン留めにどの程度寄与するのか？
• RQ5 X線全散乱およびEXAFSは、複雑なHEAsにおける局所原子環境について定量的情報を提供できるか？

主な発見

• X線全散乱データのPDF解析により、FeCoNiCrPd HEAはFeCoNiCrおよびFeCoNiCrMnと比較して顕著に強い局所格子歪みを示すことが確認された。
• イオン照射により、FeCoNiCrPdでは局所格子歪みがさらに増幅されたが、FeCoNiCrおよびFeCoNiCrMnでは緩和挙動を示した。
• 増幅は、Pd-Pd原子ペアの優先的形成に起因し、歪んだ局所環境を安定化させた。
• Pd-Pdペアの存在により、局所的な応力および不規則性が増加し、放射線誘発欠陥が効果的にピン留めされ、放射線耐性が向上した。
• EXAFS解析により、Pd原子周囲の協調数が高く、不規則性が増加していることが確認され、Pd-Pdペアが格子歪みに果たす役割が裏付けられた。
• 本研究では、HEAsにおける局所格子歪みが静的ではなく、特に特定の元素ペア（例：Pd-Pd）が存在する場合、照射下で動的に強化されることを示した。