稳定的纳米晶有序合金体系及其鉴定方法技术

本发明专利技术提供了一种稳定的纳米晶有序合金体系及其鉴定方法，所述方法包括：确定与所述有序二元合金体系的晶界偏析、相分离和金属间化合物形成相关的至少三个热力学参数；以及基于第一热力学参数、第二热力学参数和第三热力学参数，通过比较所述第一热力学参数、第二热力学参数和第三热力学参数与预定组的相应热力学参数，以鉴定所述有序二元合金体系的稳定相，从而鉴定出所述稳定相。

【技术实现步骤摘要】
稳定的纳米晶有序合金体系及其鉴定方法本申请是名为“稳定的纳米晶有序合金体系及其鉴定方法”、申请号为201480029395.6的中国专利申请的分案申请，专利申请201480029395.6是根据专利合作条约于2014年5月20日提交的国际申请(PCT/US2014/038781)进入中国国家阶段的国家申请，该申请的优先权日为2013年5月21日。关于联邦资助研究的声明本专利技术是在由美国陆军研究办公室授予的资助号第6920375和6915564号的政府支持下完成的。美国政府享有本专利技术的一些权利。
本专利技术涉及稳定的纳米晶有序合金体系及其鉴定方法。
技术介绍
纯纳米晶金属由于与其高体积分数的晶界相关的能量而通常缺乏结构稳定性，即使在室温下也常常表现出晶粒生长。然而，添加溶质原子可以使纳米结构稳定以抵抗晶粒生长。已经提出这种稳定性提高的机理涉及通过溶质原子偏析至晶界以及基于溶质拖曳可能的二级动力学贡献使晶界能降低。因此，作为纳米晶材料的开发与部署的重要组成部分，出现了合金化，但是对纳米晶合金稳定性的基本了解仍不完全。已开发了关于纳米晶体系中晶界偏析的多个模型。从吉布斯吸附方程开始，Weissmuller注意到，在稀体系中溶质原子偏析至晶界降低了晶界能γ：γ＝γ0-Γ(ΔHseg+kTlog[X])(1)其中对于特定的整体溶质浓度(X)和温度(T)，晶界能自非合金条件(γo)的降低是二元体系的偏析热(ΔHseg)和晶界处的溶质过量(Γ)的函数，并且k是玻尔兹曼常数。虽然其所预测的晶粒大小-溶质含量关系就实验证据而言是具有前景的，但是仅针对晶粒大小变化评价了纳米晶体系的稳定性。事实上，迄今为止的许多分析模型都具有这个缺陷。抑制晶粒生长是使纳米结构合金稳定化的重要准则，但是可能同等重要的稳定性也在于相分离方面。即使具有晶界偏析的纳米晶合金与相同组成的粗粒合金相比相对更为稳定，但如果体系相发生分离，则也决不可能实现纳米晶态。相分离在可形成金属间化合物的体系中可能尤其成问题。金属间化合物的形成可为体系的相分离提供另外的途径，并且可阻止得到稳定的纳米晶合金体系。
技术实现思路
鉴于以上内容，本专利技术人已经认识到并理解了预测稳定二元纳米晶合金体系(包括在稳定纳米晶相中具有有序二元合金体系)抵抗晶粒生长和相分离二者的能力的优点。因此，在一个实施方案中，提供了一种鉴定包含溶质元素和溶剂元素的有序二元合金体系的稳定相的方法，所述方法包括：确定与所述有序二元合金体系的晶界偏析、相分离和金属间化合物形成相关的至少三个热力学参数；以及基于第一热力学参数、第二热力学参数和第三热力学参数，通过比较所述第一热力学参数、第二热力学参数和第三热力学参数与预定组的相应热力学参数，以鉴定所述有序二元合金体系的所述稳定相，从而鉴定出所述稳定相。所述稳定相可为稳定纳米晶相、亚稳纳米晶相和非纳米晶相中之一。在另一个实施方案中，提供了一种制品，其包括：限定分别代表至少一种有序二元合金体系的不同稳定相的多个区域的图。至少一种有序二元合金体系的不同稳定相可包括稳定纳米晶相、亚稳纳米晶相、和非纳米晶相中的至少之一。所述多个区域的各区域可通过至少一个边界来限定，所述至少一个边界确定为与至少一个有序二元合金体系的晶界偏析、相分离和金属间化合物形成相关的至少三个热力学参数之函数。在另一个实施方案中，提供了一种鉴定包含溶质元素和溶剂元素的有序二元合金体系的稳定相的方法，所述方法包括：确定与所述有序二元合金体系的晶界偏析、相分离和金属间化合物形成相关的至少三个热力学参数；将所述至少三个热力学参数与限定分别代表至少一种预定有序二元合金体系的不同预定稳定相的多个区域的图进行比较；以及基于所述比较鉴定所述二元合金的稳定相。至少一种预定有序二元合金体系的不同预定稳定相可包括稳定纳米晶相、亚稳纳米晶相、和非纳米晶相中之一。所述多个区域的各区域可通过至少一个边界来限定，所述至少一个边界确定为与至少一种预定有序二元合金体系的晶粒生长、相分离和金属间化合物形成相关的至少三个热力学参数之函数。在另一个实施方案中，提供了一种组合物，其包含具有负的混合热的纳米晶有序二元合金体系。在预定温度下所述有序二元合金体系针对晶粒生长和相分离可以是稳定的。应理解，上述理念和以下更详细讨论的另一些理念(前提是这些理念不相互矛盾)的所有组合预期为本文所公开的专利技术主题的一部分。特别地，在本公开内容开头处呈现的所要求保护的主题的所有组合预期为本文所公开的专利技术主题的一部分。还应理解，本文明确采用的，还可能出现在通过引用并入的任何公开内容中的术语应符合与本文所公开的特定概念最一致的意思。附图说明本领域技术人员将理解，附图主要是为了说明性目的，而不旨在限制本文所述的专利技术主题的范围。附图不一定是按比例绘制；在一些情况下，本文所公开的专利技术主题的各个方面可以夸大或放大地示于附图中以帮助理解不同特征。在附图中，相同的附图标记通常指相同的特征(例如，功能相似和/或结构相似的要素)。图1A至1B示出了根据一个实施方案对于包含自由能分别为-30kJ/mol和-50kJ/mol的A3B化合物的有序合金体系，针对稳定性条件的两个示例性自由能图。绿色区域：稳定纳米晶微观组织；黄色区域：亚稳纳米晶微观组织；红色区域：不稳定纳米晶微观组织。图2A至2B分别示出了在一个实施方案中对于具有负的混合焓的有序合金体系，具有局部最小值的自由能表面和限定局部最小点相对于其他相的位置的自由能图。图3提供了在一个实施方案中表现出晶界偏析的两种纳米晶晶粒的示意图；灰色原子代表溶剂原子，红色原子代表溶质原子。图4(a)至4(b)分别示出了对于单一值的整体溶质浓度和对于不存在纳米晶最小值的混合表面的吉布斯自由能。图5示出了在一个实施方案中两种整体溶质浓度X+和X-的自由能表面的最小值。对于可替代的表示方式参见图6。图6(a)至6(b)说明了在一个实施方案中，分别作为整体组成X之函数的混合自由能与晶界能之间的关系。图7示出了对于相同的材料参数，一个实施方案中的纳米晶(NC)相(蓝色)自由能可以落在由本体正规溶液(黑色曲线)确定的三个区域中。图8(a)至8(d)示出了在一个实施方案中：(a)对于“典型纳米晶”的情况，正规溶液(黑色曲线)、非晶相极限(绿色虚线)和纳米晶点(蓝色圆圈)的自由能比较；(b)在(a)中标记的区域中，当纳米晶点接近溶解度极限下的正规溶液时，纳米晶点的自由能比较的放大视图；(c)如(a)中由方框表示的纳米晶点端点的标尺放大的自由能比较，所述端点为针对整体组成，看到的由于(Xig，d)空间限制而支持纳米晶相的最终组成；(d)相对于整体组成的晶粒大小。图9说明了在一个实施方案中，非晶相(绿色虚曲线)的自由能低于本体正规溶液(黑色曲线)和纳米晶点(蓝色圆圈)的自由能。图10A至10C示出了在一个实施方案中：A示出正规溶液(黑色曲线)、具有富溶质晶界的纳米晶相(蓝色眼圈)和其中溶剂变为晶界元素的纳米晶相(红色菱形)的自由能图；B对于给定整体溶质组成示出两个最小值的自由能表面；C自富溶剂晶粒向富溶质晶粒的纳米结构重排示意图。图11示出了一个实施方案的自由能图，其中非晶极限(绿色虚曲线)出现在正规溶液(黑色粗曲线)与纳米晶相(溶剂纳米晶相为蓝色菱形；溶本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种制品，其包括：限定分别代表至少一种有序合金体系的不同稳定相的多个区域的图，其中：所述至少一种有序合金体系的所述不同稳定相包括稳定纳米晶相、亚稳纳米晶相和非纳米晶相中的至少之一；以及所述多个区域的各区域通过至少一个边界来限定，所述至少一个边界确定为与所述至少一种有序合金体系的晶界偏析、相分离和金属间化合物形成相关的至少三个热力学参数之函数。

【技术特征摘要】
2013.05.21 US 61/825,6751.一种制品，其包括：限定分别代表至少一种有序合金体系的不同稳定相的多个区域的图，其中：所述至少一种有序合金体系的所述不同稳定相包括稳定纳米晶相、亚稳纳米晶相和非纳米晶相中的至少之一；以及所述多个区域的各区域通过至少一个边界来限定，所述至少一个边界确定为与所述至少一种有序合金体系的晶界偏析、相分离和金属间化合物形成相关的至少三个热力学参数之函数。2.根据权利要求1所述的制品，其中所述至少三个热力学参数的第一热力学参数、第二热力学参数和第三热力学参数分别包括所述至少一种有序合金体系的金属间化合物形成自由能、混合焓和偏析焓。3.根据权利要求1所述的制品，其中表示所述稳定纳米晶相的区域还包括表示双相纳米晶、双相纳米晶和非晶相、非晶相或其组合的子区域。4.根据权利要求1所述的制品，其中所述多个区域的各区域进一步通过具有截距和斜率的边界来限定，所述截距和所述斜率是所述至少三个热力学参数中两个之比的函数。5.根据权利要求1所述的制品，其中所述多个区域的各区域进一步通过具有截距和斜率的边界来描述，所述截距和所述斜率通过以下关系来确定：ΔHseg＝aΔHmix+c其中ΔHmix和ΔHseg各自独立地分别代表混合焓和偏析焓，所述混合焓和偏析焓作为所述至少三个热力学参数中的两个参数，a和c各自独立地分别代表所述边界的斜率和截距，并且所述边界是所述非纳米晶相区域的边界。6.根据权利要求1所述的制品，其中通过所述至少三个热力学参数确定的所述至少一个边界具有截距和斜...

【专利技术属性】
技术研发人员：希瑟·A·默多克，克里斯托弗·A·舒，
申请(专利权)人：麻省理工学院，
类型：发明
国别省市：美国,US