科研人员证实高熵合金中化学中程有序结构的存在

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，迄今一直在关注一个基本的问题，即在微观结构方面，高熵合金与传统合金相比究竟有什么不同。材料科学研究的一个核心内容是结构与性能的关系，这个关系在高熵合金中变得复杂起来，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。现在看来，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，很快引出了新的思考，即短程有序是否长大？高熵合金中长程有序结构(例如B2和等金属间化合物) 是否就是这些短程有序发展而来的？注意到，最/次近邻原子层短程有序的尺度范围在亚纳米尺度，并没有点阵周期性，短程有序更像是一个化学结构基因，不知道它会生长成什么样子，因而无法从短程有序直接过渡到长程结构。我们猜想，在短程与稳定的长程结构之间，应该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，称之为化学中程有序 (Chemical Medium-Range Order, CMRO)，虽然还从未在高熵合金中提出过化学中程有序结构的概念。发现并证实中程有序结构的存在，有助于更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Al9.5CrCoNi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。相关论文以题为“Chemical medium-range order in a medium-entropy alloy”于2022年2月23日在线发表在期刊Nature Communications上。

他们观察到在[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，这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，斑点的衍射强度非常弱，远小于基体斑点的强度。同时，中程有序与短程有序结构是共存的，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。这些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没有发生变化，这表明中程有序是非常稳定的。

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。

论文的第一作者为非线性力学国家重点实验室王晶助理工程师，合作者包括姜萍助理研究员，以及袁福平和武晓雷研究员。本研究得到国家重点研发计划、基金委基础科学中心项目和中国科学院B类先导专项的资助。