Obtenir des nanoparticules thermiquement stables dans des alliages chimiquement complexes via une diffusion lente et contrôlable sur réseau

Nature Communications volume 13, Numéro d'article : 4870 (2022) Citer cet article

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Le renforcement des nanoparticules constitue une base cruciale pour le développement de matériaux structurels hautes performances dotés de propriétés mécaniques potentiellement exceptionnelles pour les applications structurelles. Cependant, la sagesse générale échoue souvent en raison de la mauvaise stabilité thermique des nanoparticules, et le grossissement rapide de ces particules entraînera des défaillances accélérées de ces matériaux, en particulier à des températures élevées. Ici, nous démontrons une stratégie pour obtenir des nanoparticules ultra-stables à 800 ~ 1000 ° C dans un alliage chimiquement complexe Ni59.9-xCoxFe13Cr15Al6Ti6B0.1 (at.%), résultant de l'effet de diffusion lente sur réseau (SLD) contrôlable. Nos simulations cinétiques de diffusion révèlent que l'élément Co entraîne une réduction significative des coefficients d'interdiffusion de tous les éléments principaux, notamment pour l'élément Al, avec un maximum allant jusqu'à 5 ordres de grandeur. En utilisant des calculs de principes premiers, nous dévoilons en outre l'incompressibilité de Al induite par la concentration accrue de Co qui joue un rôle essentiel dans le contrôle de l'effet SLD. Ces résultats sont utiles pour faire progresser la conception de nouveaux alliages structurels présentant des combinaisons extraordinaires de stabilité propriété-microstructure pour les applications structurelles.

Les matériaux contenant des nanostructures bien stabilisées ont présenté des avantages majeurs dans la recherche de combinaisons de propriétés uniques, notamment structurelles et fonctionnelles, très prometteuses pour atteindre une efficacité énergétique améliorée et une neutralité carbone1,2,3,4,5. D’un intérêt particulier, le « renforcement des nanoparticules », en tant que stratégie puissante, a été largement appliqué à l’innovation de matériaux à haute résistance tels que les alliages d’aluminium avancés6,7, les aciers8,9,10,11 et les superalliages12,13,14, tous de qui jouent un rôle crucial dans divers domaines technologiques et industriels, tels que l'ingénierie aérospatiale, automobile et nucléaire. Malheureusement, ces fines particules de deuxième phase à l’échelle nanométrique sont inévitablement sujettes à un grossissement rapide, ce qui diminue considérablement la capacité de charge des matériaux hôtes et conduit par conséquent à des défaillances catastrophiques15,16,17,18. Bien que de nombreux efforts aient été déployés19,20, un tel comportement de grossissement indésirable persiste et constitue le talon d'Achille de nombreux alliages structuraux, en particulier ceux utilisés à des températures élevées. Notamment, la récente découverte d'alliages chimiquement complexes (ACC) a été démontrée comme un nouveau paradigme pour le développement de nouveaux matériaux structurels dotés de propriétés physiques et mécaniques uniques21,22,23,24,25,26,27,28,29. En particulier, l’effet dit de diffusion lente sur réseau (SLD)30,31,32,33 confère potentiellement à plusieurs CCA une stabilité thermique remarquable34,35,36,37,38,39,40. Cependant, jusqu’à présent, en raison du manque de compréhension quantitative, le mécanisme sous-jacent de l’effet SLD n’a pas été bien élucidé et son origine atomistique reste encore mystérieuse à l’heure actuelle. Ceci, de manière frustrante, rend incontrôlable la réalisation de nanostructures ultra-stables (USNS) dans les CCA.

Dans la présente étude, grâce à une combinaison de diverses techniques expérimentales complémentaires et de simulations théoriques, nous trouvons la clé pour stabiliser efficacement les nanoparticules de deuxième phase dans un système métallique à haute entropie NiCoFeCrAlTiB chimiquement complexe. Plus précisément, nous révélons que l’adaptation de la concentration de l’élément Co peut contrôler l’effet SLD de manière quantitative, ce qui nous permet d’empêcher considérablement le grossissement rapide des nanoparticules à des températures élevées allant jusqu’à 1 000 °C. Ces résultats peuvent ouvrir la voie au développement d’une conception efficace d’alliages hautes performances dotés de bonnes propriétés mécaniques et thermiques pour les applications structurelles à haute température.

Pour explorer l'effet significatif de l'élément Co sur la cinétique de diffusion lente dans les CCA, trois alliages expérimentaux, Ni59.9-xCoxFe13Cr15Al6Ti6B0.1 (x = 0, 15 et 30 at.%, notés 0Co, 15Co et 30Co CCA), ont été coulés par fusion à l'arc, puis suivis d'un traitement de vieillissement thermique (voir détails dans « Méthodes »). Comme le montrent les figures 1a à c, les tailles moyennes des nanoparticules pour les trois CCA avec 0Co, 15Co et 30Co sont respectivement évaluées à 1011,4 ± 235,4 nm (Fig. 1a), 677,6 ± 111,5 nm (Fig. 1b), et 567,3 ± 79,8 nm (Fig. 1c) vieillis à 1 000 °C pendant 240 h. Nous présentons également les micrographies typiques en microscopie électronique à balayage (MEB) des CCA 0Co, 15Co et 30Co à 800, 900 et 1 000 °C pendant différentes durées (24 h, 72 h, 168 h et 240 h), voir Supplémentaire. Figues. 1–3. Nous évaluons en outre quantitativement les évolutions de la taille moyenne des nanoparticules dans les trois CCA avec la variation du temps de vieillissement à différentes températures (voir détails dans « Méthodes »), comme indiqué sur les figures 1d à f. Nos expériences indiquent que les concentrations accrues d’élément Co peuvent réduire considérablement la taille moyenne des particules et améliorer encore la stabilité thermique de ces nanoparticules.