[论文解读] Phase separation of metastable CoCrFeNi high entropy alloy at intermediate temperatures
本研究揭示，亚稳态 CoCrFeNi 高熵合金在中等温度下（750 °C 下保温 800 小时）发生相分离，导致成分分解并形成具有不同晶格参数的第二种 fcc 相。添加 10 at.% Al 会加速不稳定性，诱发富含 Cr 的 σ 相，挑战了 CoCrFeNi HEA 所谓热力学稳定性的假设，并重塑了 HEA 的设计原则。
The CoCrFeNi alloy is widely accepted as an exemplary stable base for high entropy alloys (HEAs). Although various investigations prove it to be stable solid solution, its phase stability is still suspicious. Here, we identified that the CoCrFeNi HEA was thermally metastable at intermediate temperatures, and composition decomposition occurred after annealed at 750oC for 800 hrs. The increased lattice distortion induced by minor addition of Al into the CoCrFeNi base accelerated the composition decomposition and a second fcc phase with a different lattice constant occurred in the long time annealed CoCrFeNiAl0.1 HEA. A Cr-rich σ phase also precipitated from the CoCrFeNiAl0.1 HEA. The Al element can induce the instability of CoCrFeNi HEA. The revealed metastable CoCrFeNi at intermediate temperatures will greatly change the way of HEAs development.
研究动机与目标
- 研究 CoCrFeNi 高熵合金在中等温度下的热稳定性。
- 确定广泛认可的 CoCrFeNi HEA 在长时间退火条件下是否保持稳定。
- 考察 Al 添加对 CoCrFeNi 基 HEAs 相稳定性和分解路径的影响。
- 识别驱动亚稳态 HEAs 相分离的机制及其对材料设计的影响。
提出的方法
- 在 750 °C 下对 CoCrFeNi HEA 进行 800 小时退火，以评估其长期热稳定性。
- 利用 X 射线衍射（XRD）和电子背散射衍射（EBSD）分析相演变和显微组织。
- 通过能量色散 X 射线光谱（EDS）测量元素分布和成分变化。
- 通过 XRD 峰位移和相识别分析晶格参数变化并识别新相。
- 对比 CoCrFeNi 与 CoCrFeNiAl0.1 HEA 的行为，评估 Al 在固溶体不稳定化中的作用。
- 通过晶格参数变化和相形成情况评估晶格畸变的影响。
实验结果
研究问题
- RQ1CoCrFeNi 高熵合金在中等温度下是否具有热力学稳定性？
- RQ2CoCrFeNi HEA 在 750 °C 下长时间退火后，其显微组织和成分发生何种变化？
- RQ3添加 10 at.% Al 如何影响 CoCrFeNi HEA 的相稳定性？
- RQ4退火过程中形成了哪些新相，其晶体学和成分特征是什么？
- RQ5晶格畸变在促进亚稳态 HEAs 相分离过程中起何种作用？
主要发现
- CoCrFeNi HEA 在 750 °C 下保温 800 小时后发生相分离，表明其具有热力学亚稳性。
- 形成了具有明显不同晶格常数的第二种 fcc 相，表明存在成分分解。
- 添加 10 at.% Al 显著增加了晶格畸变，并加速了相分解过程。
- 在 CoCrFeNiAl0.1 HEA 中，长时间退火后析出富含 Cr 的 σ 相。
- 主 fcc 相的晶格参数因成分波动和晶格应变而发生变化。
- 本研究揭示，CoCrFeNi HEA 在中等温度下并非固有稳定，挑战了先前的假设。
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