[論文レビュー] Ubiquitous short-range order in multi-principal element alloys

Ying Han, Hangman Chen+11 more|arXiv (Cornell University)|Feb 23, 2024

Intermetallics and Advanced Alloy Properties被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、短-range order（SRO）が CoCrNi 系の多主成分元素合金MPEAs において広く存在することを示しており、加工や冷却速度にはほぼ依存せず、SRO の形成を凝固前線と結びつけている。

ABSTRACT

Recent research in multi-principal element alloys (MPEAs) has increasingly focused on the exploration and exploitation of short-range order (SRO) to enhance material performance. However, the understanding of SRO formation and the precise tuning of it within MPEAs remains poorly understood, limiting the comprehension of its impact on material properties and impeding the advancement of SRO engineering. Here, leveraging advanced additive manufacturing techniques that produce samples with a wide range of cooling rates (up to 10^7 K/s) and an improved quantitative electron microscopy method, we characterize SRO in three CoCrNi-based MPEAs to unravel the role of processing route and thermal history on SRO. Surprisingly, irrespective of the processing and thermal treatment applied, all samples exhibit similar levels of SRO, suggesting that prevalent SRO may form during the solidification process. Atomistic simulations of solidification verify that local chemical ordering arises in the liquid-solid interface (solidification front) even under the extreme cooling rate of 10^11 K/s. This phenomenon stems from the swift atomic diffusion in the supercooled liquid, which matches or even surpasses the rate of solidification. Therefore, SRO is an inherent characteristic of most MPEAs, insensitive to variations in cooling rates and annealing treatments typically available in experiments. Integrating thermal treatment with other strategies, such as mechanical deformation and irradiation, might be more effective approaches for harnessing SRO to achieve controlled material properties.

研究の動機と目的

• 多主成分元素合金（MPEAs）における短距離秩序（SRO）とそれが材料特性に与える影響の理解を促進する。
• CoCrNi 系 MPEAs における処理ルートと熱履歴が SRO に与える影響を調査する。
• 高度な製造条件下で、SRO が冷却速度やアニーリング処理に敏感かどうかを判定する。
• 改良された定量電子顕微鏡法とアディティブマニュファクチャリングを用いて、広範な冷却条件をサンプリングする。
• 液-固界面におけるSROの起源を特定するため、固化の原子レベルシミュレーションで結果を解釈する。

提案手法

• 冷却速度が最大10^7 K/sに達する高度なアディティブマニュファクチャリングを用いて試料を作製する。
• SROを特性化するための改良された定量電子顕微鏡法を開発・適用する。
• 加工と熱履歷の影響を比較するため、CoCrNi 系 MPEAs を3種類研究する。
• 固化前線でのSRO形成を分析するため、固化の原子レベルシミュレーションを行う。
• 過冷却液中の拡散に関するシミュレーション洞察と実験観察を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CoCrNi 系 MPEAs において、SRO のレベルは加工ルートや熱履歴によって変化するか？
• RQ2 SRO は主に固化時に決定されるのか、それとも固化後の処理で大きく修飾され得るのか？
• RQ3 極端な冷却速度にわたって、過冷却液中の原子拡散が観測されたSROを説明できるか？
• RQ4 固化過程において液-固界面で局所的な化学秩序を駆動するメカニズムは何か？

主な発見

• 全ての試料は加工やアニーリングに関係なく同様のSROレベルを示し、SROは固化時に形成されることを示唆している。
• 原子レベルの固化シミュレーションは、液-固界面で局所的な化学秩序が発生し、極めて高い冷却率（最大10^11 K/s）でも生じることを示す。
• 過冷却液中での急速拡散は固化速度と同等かそれを上回ることができ、固化中にSROの発達を可能にする。
• SROはほとんどのMPEAsの固有の特徴であり、一般的な実験的冷却速度やアニーリング処理には影響されにくい。
• 熱処理と他の戦略（例: 変形、照射）を組み合わせることで、特性改良のためのSRO制御をより効果的に行える可能性がある。