[论文解读] 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 14

一句话总结

本研究利用X射线全散射和扩展X射线吸收精细结构（EXAFS）技术，研究中熵和高熵合金中的局部晶格畸变，以量化原子尺度的无序性。FeCoNiCrPd HEA由于Pd-Pd配对的优先形成，表现出强烈且受辐照增强的局部晶格畸变，这种配对有效钉扎了辐照引起的缺陷，从而相比FeCoNiCr和FeCoNiCrMn合金，展现出更高的抗辐照性能。

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.

研究动机与目标

• 理解局部晶格畸变在决定浓缩固溶体合金（CSAs）抗辐照性能中的作用。
• 量化具有复杂多主元成分的中熵和高熵合金（HEAs）中的局部原子环境。
• 研究辐照对FeCoNiCrPd HEA中局部晶格畸变的影响，与FeCoNiCr和FeCoNiCrMn相比。
• 识别原子尺度机制——特别是Pd-Pd对的形成——在辐照下增强缺陷钉扎的作用。
• 建立局部结构无序与HEAs抗辐照性之间定量关联。

提出的方法

• 采用X射线全散射技术探测径向分布函数（RDF），并提取FeCoNiCrPd HEA中的局部原子对分布函数（PDFs）。
• 应用扩展X射线吸收精细结构（EXAFS）分析特定元素（尤其是Pd）周围的局部配位环境。
• 利用PDF分析量化与理想晶格参数的偏差，识别原子尺度的局部晶格畸变。
• 对比辐照与非辐照样品，评估离子辐照下局部结构的变化。
• 分析Pd-Pd原子对的形成概率，以关联其与增强的晶格畸变及缺陷钉扎的关系。
• 采用准随机合金模型解释实验数据，区分短程有序效应与长程无序的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 FeCoNiCrPd HEA与FeCoNiCr和FeCoNiCrMn HEAs相比，其局部晶格畸变有何不同？
• RQ2 离子辐照对FeCoNiCrPd HEA中的局部晶格畸变有何影响？
• RQ3 为何FeCoNiCrPd表现出相较于其他HEAs更高的抗辐照性能？
• RQ4 Pd-Pd原子对在多大程度上促进了局部晶格畸变和缺陷钉扎？
• RQ5 X射线全散射和EXAFS能否为复杂HEAs中的局部原子环境提供定量洞察？

主要发现

• FeCoNiCrPd HEA的局部晶格畸变显著强于FeCoNiCr和FeCoNiCrMn，这一结果通过X射线全散射数据的PDF分析得到证实。
• 离子辐照进一步增强了FeCoNiCrPd HEA中的局部晶格畸变，而FeCoNiCr和FeCoNiCrMn则表现出松弛行为。
• 该增强归因于Pd-Pd原子对的优先形成，这些配对稳定了畸变的局部环境。
• Pd-Pd对的存在增加了局部应变和无序度，有效钉扎了辐照产生的缺陷，从而提升了抗辐照性能。
• EXAFS分析证实Pd原子周围具有更高的配位数和更大的无序度，支持Pd-Pd对在晶格畸变中的作用。
• 本研究表明，HEAs中的局部晶格畸变并非静态，而是在辐照下动态增强，尤其当存在特定元素对（如Pd-Pd）时更为显著。