多主元合金（MPEA），亦被稱為復(fù)雜成分合金（CCA）和高熵合金（HEA）。憑借其獨(dú)特的成分特點(diǎn)，為開發(fā)具備突出力學(xué)/物理性能的新型金屬材料開辟了廣闊的探索空間，充分展現(xiàn)出巨大的研究價(jià)值與應(yīng)用潛力。不過，這也隨之引發(fā)了一個(gè)新的問題，即MPEA在微觀尺度上究竟發(fā)生了何種新的變化，從而使其有別于目前廣泛研究的傳統(tǒng)固溶體合金（dilute alloy）。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jmst.2024.09.008

近日，西安交通大學(xué)馬恩教授和丁俊教授，從化學(xué)成分分布的角度出發(fā)，指出這些近等摩爾比構(gòu)成的多主元合金（MPEA），在亞納米至幾納米的尺度范圍內(nèi)，呈現(xiàn)出超高密度的化學(xué)分布不均勻性。這種局域成分起伏和局域化學(xué)有序（Local chemical order, LCO）所引發(fā)的原子級空間變化，是多主元合金固有的結(jié)構(gòu)特性，對力學(xué)/物理性能有著多方面的重大影響。相關(guān)Review以“ Compositional fluctuation and local chemical ordering in multi-principal element alloys ”為題受邀發(fā)表在期刊Journal of Materials Science & Technology上。馬恩教授為論文第一作者兼通訊作者。該項(xiàng)研究得到了國家自然科學(xué)基金（No. 52231001）與西安交通大學(xué)材料創(chuàng)新設(shè)計(jì)中心（CAID）的支持。

Review對目前多主元合金中的多種化學(xué)不均勻性進(jìn)行了全面定義與分類，包括成分波動（compositional fluctuation）、成分起伏（compositional undulation）、局域化學(xué)有序（LCO），化學(xué)短程有序（chemical short-range order, CSRO）等。并詳細(xì)討論了LCO的概念，對LCO的觀察以及定量分析，不同實(shí)驗(yàn)條件下LCO的演變，比較了MPEA中的化學(xué)不均勻性與其它已知不均勻性之間的差異，最后總結(jié)并展望了這些微觀結(jié)構(gòu)特征對未來MPEA研究和應(yīng)用帶來的潛在影響，主要分為以下幾點(diǎn)：

（1）化學(xué)短程有序（CSRO）的類型在給定的合金系統(tǒng)中的多樣性和可變性強(qiáng)調(diào)了原子間相互作用的復(fù)雜性和成分起伏在確定材料的微觀結(jié)構(gòu)和性質(zhì)中的重要性。

（2）CSRO通常只與原子完全隨機(jī)分布間存在微小偏差，并且識別這些微小偏差通常具有挑戰(zhàn)性，表現(xiàn)在難以使用常規(guī)表征工具進(jìn)行檢測和量化。

（3）LCO同樣在影響輻照誘導(dǎo)點(diǎn)缺陷重組及位錯(cuò)動力學(xué)方面發(fā)揮重要作用。簡而言之，對MPEA中化學(xué)不均勻性的研究揭開了固溶體材料科學(xué)研究的新篇章。

圖 1. 均勻化的 MPEA 只有在非常高的溫度下內(nèi)部原子才接近于無規(guī)律排布，其構(gòu)型熵高，相當(dāng)于理想溶液。然而，當(dāng)固溶體冷卻到并保持在較低的退火溫度時(shí)，由于自由能的焓貢獻(xiàn)變得顯著，固溶體內(nèi)部會形成局部化學(xué)有序。

圖 2. 原子位于dilute multi-component solid solution（a）和MPEA（b）的晶格位點(diǎn)上。在dilute multi-component solid solution中，溶質(zhì)原子周圍只有溶劑原子，而在MPEA中，每個(gè)原子周圍的局部化學(xué)環(huán)境可能會有很大不同與變化。

圖 3. 在不同長度尺度上具有成分起伏的MPEA。

圖 4. 在 950 K 下時(shí)效處理的 “NiCoCr ”MEPS 模型。

圖 5. fcc 和 bcc MPEA 中的局部化學(xué)有序案例。

圖 6. 水淬(WQ) bcc Ti₅₀Zr₁₈Nb₁₅V₁₂Al₅ (T50) MPEA 退火/時(shí)效后增加的B2型LCO。

圖 7. 退火Ti₅₀Zr₁₈Nb₁₅V₁₂Al₅在[100]帶軸下成像的局部區(qū)域。

圖 8. 原子電子斷層掃描（AET）分析 MPEA 納米結(jié)構(gòu)的三維原子結(jié)構(gòu)和晶格畸變。

圖 9. Al（淺藍(lán)色溶劑原子）-Cu（黑色溶質(zhì)）合金在初期沉淀硬化過程中形成的 GP 區(qū)可作為傳統(tǒng)合金中 LCO 復(fù)雜發(fā)展的一個(gè)例子。

圖 10. Ti-30Zr-14Nb-3O (at%) MPEA 中存在大量納米級局部有序氧復(fù)合體（OOCs；彩色原子團(tuán)）[59]。在這種情況下，氧與 Zr 和 Ti 的高化學(xué)親和性導(dǎo)致了富含 O-Zr (Ti) 的 LCO 的局部化學(xué)不均勻性以及伴隨的局部成分起伏。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jmst.2024.09.008