[论文解读] 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 6

一句话总结

本论文表明，短程有序在基于 CoCrNi 的多主元合金中普遍存在，与加工和冷却速率关系不大，并将 SRO 的形成与凝固前沿联系起来。

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.

研究动机与目标

• 促使人们理解多主元元素合金（MPEAs）中的短程有序（SRO）及其对材料性质的影响。
• 研究加工路径和热历史如何影响基于 CoCrNi 的 MPEAs 中的 SRO。
• 在先进制造条件下确定 SRO 是否对冷却速率或退火处理敏感。
• 使用改进的定量电子显微学和增材制造来覆盖广泛的冷却条件样本。
• 结合对固化的原子尺度模拟来解释结果，以确定液-固界面上 SRO 的起源。

提出的方法

• 使用先进的增材制造来产生冷却速率高达 10^7 K/s 的样品。
• 开发并应用改进的定量电子显微学方法来表征 SRO。
• 研究三种基于 CoCrNi 的 MPEAs，以比较加工和热历史的影响。
• 进行固化过程的原子尺度模拟，以分析固化前沿处的 SRO 形成。
• 将实验观测结果与关于过冷液体扩散的模拟洞见进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 在基于 CoCrNi 的 MPEAs 中，SRO 水平是否随加工路线或热历史而变化？
• RQ2 SRO 是在固化过程中主要决定，还是后固化处理也能显著改变？
• RQ3 在极端冷却速率下，过冷液体中的原子扩散是否能解释观察到的 SRO？
• RQ4 在固化过程中，液-固界面上哪些机制驱动局部化学有序？

主要发现

• 所有样品的 SRO 水平相似，与加工或退火无关，表明 SRO 在固化期间形成。
• 原子尺度的固化模拟显示，即使在极高冷却速率下（高达 10^11 K/s），液-固界面也会出现局部化学有序。
• 过冷液体中的快速扩散可与固化速率相匹配或超过它，从而在固化过程中促进 SRO 形成。
• SRO 似乎是多数 MPEAs 的固有特征，与典型实验冷却速率和退火处理无关。
• 将热处理与其他策略结合（如变形、辐照）可能更有效地实现对 SRO 的控制，以获得定制的性质。