[논문 리뷰] Probing local lattice distortion in medium- and high-entropy alloys

Yang Tong, Gihan Velişa외 10명|arXiv (Cornell University)|2017. 07. 24.

High Entropy Alloys Studies참고 문헌 39인용 수 14

한 줄 요약

이 연구는 X선 총산란과 확장된 X선 흡수 분광법(EXTAFS)을 사용하여 중간 및 고엔트로피 합금에서 국소 격자 비정상성을 조사하여 원자 척도의 무질서를 정량화한다. FeCoNiCrPd HEA는 선호적 Pd-Pd 쌍 형성이 유도되어 방사선에 의한 결함을 효과적으로 고정시키며, 이는 FeCoNiCr 및 FeCoNiCrMn 합금에 비해 방사선 내성 향상을 초래한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 집중된 고용체 합금(CSAs)에서 방사선 내성에 영향을 주는 국소 격자 비정상성의 역할을 이해하기 위해.
• 복잡한 다중주성분을 가진 중간 및 고엔트로피 합금(HEAs)의 국소 원자 환경을 정량화하기 위해.
• FeCoNiCrPd HEA에서 방사선 조사가 국소 격자 비정상성에 미치는 영향을 FeCoNiCr 및 FeCoNiCrMn 합금과 비교하여 조사하기 위해.
• 특히 Pd-Pd 쌍 형성이 방사선 하에서 결함 고정을 향상시키는 원자 척도 메커니즘을 규명하기 위해.
• 국소 구조적 무질서와 HEAs의 방사선 내성 간의 정량적 연관성을 확립하기 위해.

제안 방법

• FeCoNiCrPd HEA의 국소 원자 쌍 분포 함수(PDF)를 추출하기 위해 X선 총산란을 사용하여 반경 분포 함수(RDF)를 탐색하였다.
• 특히 Pd 원자 주변의 국소 배치 환경을 분석하기 위해 확장된 X선 흡수 분광법(EXTAFS)을 적용하였다.
• PDF 분석을 통해 이상적인 격자 매개변수에서의 편차를 정량화하여 원자 척도에서의 국소 격자 비정상성을 규명하였다.
• 이온 조사 전후의 시료를 비교하여 이온 조사 조건에서의 국소 구조 변화를 평가하였다.
• 국소 격자 비정상성과 결함 고정 향상과의 연관성을 규명하기 위해 Pd-Pd 원자 쌍 형성 확률을 분석하였다.
• 모의 실험 데이터를 해석하고 단기 순서 효과와 장거리 무질서를 구별하기 위해 준무작위 합금 모델링을 활용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 FeCoNiCrPd HEA는 FeCoNiCr 및 FeCoNiCrMn HEAs와 비교해 국소 격자 비정상성이 어떻게 다를까?
• RQ2 이온 조사가 FeCoNiCrPd HEA의 국소 격자 비정상성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 왜 FeCoNiCrPd는 다른 HEAs에 비해 향상된 방사선 내성을 나타내는가?
• RQ4 Pd-Pd 원자 쌍은 국소 격자 비정상성과 결함 고정에 얼마나 기여하는가?
• RQ5 X선 총산란과 EXTAFS는 복잡한 HEAs의 국소 원자 환경에 대해 정량적 통찰을 제공할 수 있는가?

주요 결과

• X선 총산란 데이터의 PDF 분석을 통해 FeCoNiCrPd HEA는 FeCoNiCr 및 FeCoNiCrMn에 비해 현저히 강한 국소 격자 비정상성을 나타내는 것으로 확인되었다.
• 이온 조사는 FeCoNiCrPd에서 국소 격자 비정상성을 더욱 증가시키지만, FeCoNiCr 및 FeCoNiCrMn에서는 회복 행동을 보였다.
• 이 증가는 선호적 Pd-Pd 원자 쌍 형성에 기인하며, 이는 비정상적인 국소 환경을 안정화시킨다.
• Pd-Pd 쌍의 존재는 국소 응력과 무질서를 증가시켜 방사선에 의한 결함을 효과적으로 고정시키며 방사선 내성을 향상시킨다.
• EXTAFS 분석은 Pd 원자 주변의 배치 수가 높아지고 무질서도 증가함을 확인하여 Pd-Pd 쌍이 격자 비정상성에 기여하는 바를 뒷받침한다.
• 본 연구는 HEAs의 국소 격자 비정상성이 정적인 것이 아니라, 특정 원소 쌍(예: Pd-Pd)이 존재할 경우 방사선 하에서 역동적으로 증가함을 입증하였다.