高熵合金中化学中程有序结构研究获进展

高熵合金是基于多个主要金属元素设计思路得到的一种合金材料，在微观结构方面，高熵合金与传统合金相比的不同之处长期受到关注。材料科学研究的一个核心内容是结构与性能的关系，该关系在高熵合金中较复杂，这是由于局域发生的焓的涨落与焓的交互作用，形成了原子尺度的成分与结构，包括化学成分浓度波、化学短程有序与点阵畸变等。目前，高熵合金中至少一个明确与传统合金不同的是形成了化学短程有序结构，那么短程有序是否长大？高熵合金中长程有序结构（如B2和等金属间化合物) 是否是这些短程有序发展而来？最/次近邻原子层短程有序的尺度范围在亚纳米尺度没有点阵周期性，短程有序更像是一个化学结构基因，无法从短程有序直接过渡到长程结构。研究人员猜想，在短程与稳定的长程结构之间应存在一个在尺度上比短程大、但已具有明确晶体周期性的过渡结构，可称之为化学中程有序（Chemical Medium-Range Order, CMRO)。目前尚未在高熵合金中提出过化学中程有序结构的概念，但发现并证实中程有序结构的存在，有助于进一步理解高熵合金中本征的原子尺度微结构、特别是局部化学有序及其演化过程。

近日，中国科学院力学研究所武晓雷研究组针对面心立方结构基体和体心立方B2有序析出相的两相Al_9.5CrCoNi高熵合金，利用原子尺度观察与分析，包括选区与能量过滤电子衍射、暗场成像以及原子尺度分辨的化学成分分析等，在面心立方结构基体中发现并证实了化学中程有序结构。相关研究成果以Chemical medium-range order in a medium-entropy alloy为题，于2月23日在线发表在Nature Communications上。

研究人员观察到在[112]和[013]两个晶体学取向的位置，中程有序结构引起的超点阵衍射与其它中高熵合金中短程有序衍射的位置相同，但衍射从短程有序大直径的晕圆变成了一个斑点，斑点的衍射强度较弱，远小于基体斑点的强度。此外，中程有序与短程有序结构共存，中程有序与短程有序具有相同的型原子有序占位构型，并没有观察到的长程结构与B2的短程有序。上述结果表明，中程有序是正在长大的短程有序，但与长周期B2的体心立方结构不同。在拉伸变形前后，中程有序的平均晶粒尺寸与体积分数基本未发生变化，这表明中程有序十分稳定。

证实中程有序对于从原子尺度上理解高熵合金的微结构形成及其演化具有重要意义。相比短程有序，中程有序结构更有效地与位错相互作用，实现强化与应变硬化。研究人员提倡基于化学有序的中高熵合金设计策略，通过形成并调控化学有序来提升综合力学性能。

研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金委员会基础科学中心项目和中科院战略性先导专项（B类）的资助。

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图1.高熵合金Al_9.5CrCoNi化学中程有序结构几个晶体学带轴的选区（a-c）与微区衍射（d），HAADF点阵像傅氏变换和反傅氏变换（e,f），以及能量过滤暗场像（g,h）

图2.化学中程有序结构的元素分布与占位

图3.化学中程有序结构的尺寸分布和面密度，以及与短程有序结构的比较