블로그

Oct 25, 2023

제어 가능한 느린 격자 확산을 통해 화학적으로 복잡한 합금에서 열적으로 안정적인 나노입자 달성

Nature Communications 13권, 기사 번호: 4870(2022) 이 기사 인용 6363 액세스 23 인용 23 Altmetric Metrics 세부 정보 나노입자 강화는 다음과 같은 중요한 기반을 제공합니다.

Nature Communications 13권, 기사 번호: 4870(2022) 이 기사 인용

6363 액세스

23 인용

23 알트메트릭

측정항목 세부정보

나노입자 강화는 구조적 응용을 위한 잠재적으로 탁월한 기계적 특성을 지닌 고성능 구조 재료를 개발하는 데 중요한 기반을 제공합니다. 그러나 일반적인 통념은 나노입자의 열악한 열적 안정성으로 인해 제대로 작동하지 않는 경우가 많으며, 이러한 입자가 빠르게 거칠어지면 특히 고온에서 이러한 재료의 파손이 가속화됩니다. 여기에서는 제어 가능한 느린 격자 확산(SLD) 효과로 인해 Ni59.9-xCoxFe13Cr15Al6Ti6B0.1(at.%) 화학적으로 복잡한 합금에서 800~1000°C에서 매우 안정적인 나노입자를 달성하는 전략을 보여줍니다. 우리의 확산 동역학 시뮬레이션은 Co 원소가 모든 주요 원소, 특히 Al 원소의 상호 확산 계수를 최대 5배까지 크게 감소시키는 것으로 나타났습니다. 첫 번째 원리 계산을 활용하여 Co의 농도 증가로 인한 Al의 비압축성이 SLD 효과를 제어하는 ​​데 중요한 역할을 한다는 사실을 추가로 밝힙니다. 이러한 발견은 구조적 응용을 위한 탁월한 특성-미세 구조 안정성 조합을 갖춘 새로운 구조용 합금 설계의 발전을 제공하는 데 유용합니다.

잘 안정화된 나노구조를 포함하는 재료는 구조적, 기능적 특성을 모두 포함하여 고유한 특성 조합을 추구하는 데 탁월한 이점을 제공하며 향상된 에너지 효율성과 탄소 중립성을 달성할 수 있는 큰 가능성을 제공합니다1,2,3,4,5. 특히 흥미로운 것은 강력한 전략인 "나노입자 강화"가 고급 알루미늄 합금6,7, 철강8,9,10,11, 초합금12,13,14과 같은 고강도 소재의 혁신에 널리 적용되어 왔다는 것입니다. 항공우주, 자동차, 원자력공학 등 다양한 기술 및 산업 분야에서 중요한 역할을 담당하고 있습니다. 불행하게도, 나노 규모의 이러한 2단계 미세 입자는 필연적으로 급속하게 조대화되는 경향이 있으며, 이는 호스트 재료의 하중 전달 능력을 극적으로 감소시키고 결과적으로 치명적인 파손을 초래합니다15,16,17,18. 많은 노력이 이루어졌지만19,20, 많은 구조용 합금, 특히 고온에서 사용되는 합금의 경우 아킬레스 건과 같은 바람직하지 않은 조대화 동작이 지속됩니다. 특히, 최근 CCA(화학적 복합 합금)의 발견은 독특한 물리적 및 기계적 특성을 가진 새로운 구조 재료를 개발하기 위한 새로운 패러다임으로 입증되었습니다. 특히, 소위 느린 격자 확산(SLD) 효과는 잠재적으로 여러 CCA에 놀라운 열 안정성을 부여합니다. 그러나 지금까지 정량적 이해가 부족하여 SLD 효과의 기본 메커니즘은 잘 밝혀지지 않았으며 그 원자론적 기원은 현재에도 여전히 미스터리로 남아 있습니다. 이는 실망스럽게도 CCA에서 초안정 나노구조(USNS)를 달성하는 것을 제어할 수 없게 만듭니다.

본 연구에서는 다양한 보완적 실험 기법과 이론적 시뮬레이션을 결합하여 화학적으로 복잡한 NiCoFeCrAlTiB 고엔트로피 금속 시스템에서 2단계 나노입자를 효과적으로 안정화하는 열쇠를 찾았습니다. 보다 구체적으로, 우리는 Co 원소의 농도를 조정하면 SLD 효과를 정량적 방식으로 제어 가능하게 제어할 수 있으며, 이를 통해 최대 1000°C의 고온에서 나노입자가 급속히 조대화되는 것을 실질적으로 방지할 수 있음을 밝힙니다. 이러한 결과는 고온 구조 응용 분야에서 우수한 기계적 및 열적 특성을 모두 갖춘 고성능 합금의 효율적인 설계를 개발할 수 있는 길을 열어줄 수 있습니다.

CCA의 느린 확산 동역학에 대한 Co 원소의 중요한 효과를 탐색하기 위해 세 가지 실험 합금인 Ni59.9-xCoxFe13Cr15Al6Ti6B0.1(x = 0, 15 및 30 at.%, 0Co, 15Co 및 30Co로 표시됨) CCA)를 아크 용융을 통해 주조한 후 열 노화 처리를 수행했습니다(자세한 내용은 "방법" 참조). 그림 1a-c에 표시된 것처럼 0Co, 15Co 및 30Co를 갖는 3가지 CCA에 대한 나노 입자의 평균 크기는 각각 1011.4 ± 235.4 nm(그림 1a), 677.6 ± 111.5 nm(그림 1b)로 평가됩니다. 1000°C에서 240시간 동안 노화된 567.3 ± 79.8nm(그림 1c). 또한 다양한 기간(24시간, 72시간, 168시간 및 240시간)에 대해 800, 900 및 1000°C에서 0Co, 15Co 및 30Co CCA의 일반적인 주사 전자 현미경(SEM) 현미경 사진을 보여줍니다. 보충 참조 무화과. 1-3. 우리는 그림 1d-f에 제공된 것처럼 서로 다른 온도에서 노화 시간의 변화에 ​​따라 3개의 CCA에서 나노 입자의 평균 크기 진화를 정량적으로 평가합니다("방법"의 세부 사항 참조). 우리의 실험은 증가된 Co 원소 농도가 평균 입자 크기를 실질적으로 감소시키고 이러한 나노입자의 열 안정성을 더욱 향상시킬 수 있음을 나타냅니다.