美国AMES国家实验室:原位发现非晶亚稳态纳米晶化过程


       近日,美国能源部AMES国家实验室科学家周琳在Acta Materialia 上发表题目为“An Abnormal Meta-stable Nanoscale Eutectic Reaction Revealed by in-situ Observations”的文章。作者使用原位高能X射线衍射(HEXRD)与原位像差校正扫描透射电子显微镜发现 Al60Sm11(ε相)与其无定形前体的复杂亚稳态晶化,并揭示了其原位生长机制和动力学成因。


       控制过冷液体的相位和形态选择仍然是材料科学中最大的挑战之一。在高度过冷液体/金属玻璃中,原子迁移率与接近液相线温度相比变化很大。这为亚稳晶相的形成提供了很大的驱动力。不仅可以出现新的、不可预测的相,而且较低的迁移率还可能导致不寻常的微结构。在许多情况下,亚稳相与其平衡相相比,会形成更复杂的晶体结构,具有更大的单位胞甚至非周期性。当冷却速率足以形成玻璃时,随后的退火和脱氮可以产生适用于磁性合金、热材料、纳米线甚至结构合金的精细控制的纳米结构。然而,理解和预测远离平衡的相选择的热力学和动力学途径是一项艰巨的挑战,因为大多数热力学模型假设相变发生在热力学平衡附近。因此,亚稳态相变机制和动力学的实验测量对于帮助建立可靠模型克服这一挑战是至关重要的。


       远离平衡的材料的相选择和生长为新的相和形态提供了肥沃的土壤,因为可以积极地获得多种不同的途径。在这项研究中,使用原位高能X射线衍射(HEXRD)的组合发现了Al60Sm11(ε相)与其无定形前体的复杂亚稳态反玻璃化,提供了对平均体行为的洞察,并且在原位像差校正扫描透射电子显微镜下,揭示了原子尺度增长机制及其动力学。我们发现,非平衡化学分配通过在ε/玻璃界面上形成不均匀偏析的纳米级富铝区,以局部平衡成分依赖的驱动力和相关的扩散负荷,从而破坏标称的平面生长。这些富含Al的区域与ε相外延形成富含fcc-Al的纳米微晶,改变ε/玻璃界面的迁移率并产生锯齿状的生长前沿。这一新的机制为通过亚稳相变制备具有纳米沉淀分散的合金结构提供了途径。


       通过使用HEXRD,TEM,STEM和EDS技术的组合实时监测成核和生长过程,揭示了Al90Sm10金属玻璃中的亚稳异常共晶晶化过程。具有相似组成的无定形基质中的晶体ε相的生长伴随着在ε/非晶界面处间歇形成纳米尺寸的fcc-Al簇。这些纳米Al簇改变ε/玻璃界面运动并促进“花椰菜”微结构的产生。观察到的亚稳相形成序列与其吉布斯自由能一致。本研究中使用的技术为研究散装材料中亚稳态相转变至原子分辨率的机制提供了不可替代的方法。


图1:原位扫描


图2:ε相的成核和生长


图3:无定形区域ε晶粒的逐渐增长



图4:ε相和fcc-Al之间的晶体学关系


图5:175℃下fcc-Al,无定形,液体和ε-Al60Sm11相吉布斯自由能计算


延伸阅读:


      AMES实验室是美国能源部(DOE)所有的国家实验室,位于爱荷华州立大学的校园内。70多年来,Ames实验室成功地与爱荷华州立大学合作。AMES实验室虽说是美国国家实验室中较小的一个,但是其在材料制备、凝聚态物理计算和新材料的预测和开发方面均处于世界领先地位。


文献来源:An Abnormal Meta-stable Nanoscale Eutectic Reaction Revealed by in-situ Observations(Acta Materialia,2018,DOI:10.1016/j.actamat.2018.11.027)


文献下载:/upload/201811/26/201811262118583141.pdf


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