May 30, 2024
CoCrCuFeNi 고엔트로피 합금 박막의 실온 중이온 조사 중 동적 기판 반응
npj 재료 분해량 6, 기사 번호: 60(2022) 이 기사 인용 1213 액세스 4 인용 1 Altmetric Metrics 세부 정보 고엔트로피 합금(HEA)은 다양한 분야에서 유망한 재료입니다.
npj Materials Degradation 6권, 기사 번호: 60(2022) 이 기사 인용
1213 액세스
4 인용
1 알트메트릭
측정항목 세부정보
고엔트로피 합금(HEA)은 원자로 환경을 포함한 다양한 응용 분야에 유망한 재료입니다. 따라서 방사선 조사 및 다양한 환경에 노출 시의 행동을 이해하는 것이 중요합니다. 여기서는 SiO2/Si 또는 Si 기판에서 성장한 두 세트의 거의 평형에 가까운 CoCrCuFeNi 박막에 실온에서 11.5 MeV Au 이온을 조사하여 불활성 대 부식 환경에 대한 노출과 유사한 동작을 제공했습니다. SiO2에서 성장한 막은 500dpa 이상의 최대 손상 수준까지 상대적으로 최소한의 변화를 보인 반면, Si에서 성장한 막은 더 높은 선량에서 다중 실리사이드 막으로 변환되기 전에 0.1dpa의 피크 선량에서 기판-막 경계면에서 혼합되기 시작했습니다. 열 확산을 최소화하면서 모두 실온에서. 주요 메커니즘은 역 Kirkendall 및 용질 항력 효과를 통한 방사선 강화 확산입니다. 결과는 구성과 환경 노출이 방사선 하에서 HEA의 안정성에 어떻게 영향을 미치는지 강조하고 이러한 동작을 제어하는 데 대한 통찰력을 제공합니다.
원자로 환경의 합금은 물리적, 기계적 특성과 부품 성능을 유지하기 위해 상 안정성이 필요합니다. 방사선, 고온, 기계적 응력 및/또는 환경 노출과 같은 원자로 환경에서 발견되는 여러 가지 극한 현상에 동시에 노출되면 이러한 극한 현상에 개별적으로 또는 순차적으로 노출되면 관찰되지 않는 재료에 시너지 효과가 발생할 수 있습니다1. 높은 밀도의 인터페이스 싱크2를 갖는 나노결정질 재료를 가짐으로써 방사선 저항성을 부여할 수 있습니다. 마찬가지로, 고엔트로피 합금(HEA)3,4,5,6,7,8에서 발견되는 화학적 장애, 낮은 열 전도성 및 큰 격자 왜곡을 사용하는 등 결함 생성 및 결함 이동성을 줄임으로써 방사선 저항성을 부여할 수도 있습니다. 9,10. 그러나 나노 크기의 결정립이나 화학적으로 복잡한 합금이 안정성을 잃어 고온이나 부식성 환경과 같은 다른 극한에 노출되었을 때 과도한 결정립 성장이나 다른 상의 형성이 발생하는 경우 이러한 방사선 저항은 의미가 없게 됩니다. 스테인레스강과 마찬가지로 HEA의 고온 공기 또는 증기의 산화 속도는 합금의 조성과 형성되는 산화물 스케일의 상에 따라 달라집니다11,12,13.
산화 및 부식과 마찬가지로 조사도 이러한 물질의 상 안정성에 큰 영향을 미칠 수 있습니다. 부식과 방사선 조사를 결합하는 것은 많은 관심을 받고 있는 연구 분야입니다. 그러나 동시 조사 및 환경 노출이 특히 HEA에서 위상 안정성에 어떻게 영향을 미치는지에 대한 지식은 제한적입니다. 부식에 따른 순차적 조사를 조사한 연구에서는 부식 속도14에 영향을 미치지 않거나 부식 속도15가 향상되는 것으로 나타났습니다. 최근에야 방사선 조사와 부식의 동시 시너지 효과에 대한 연구가 있었는데, 일부는 방사선 강화 부식을 나타내고 다른 일부는 방사선 감속 부식을 나타냈습니다14,16,17. 이 연구에서는 조사에 의해 부식이 촉진되는지 여부가 부식성 매체에 따라 결정되었습니다. 그러나 각 연구에서는 방사선 강화 또는 감속 부식과 그에 따른 결함 이동의 주요 수단으로서 방사선 강화 확산(RED)의 중요성을 입증했습니다. 그러나 이러한 연구는 주로 단순한 모델 합금이나 기존 합금 및 강철에 중점을 두었습니다. HEA의 화학적 복잡성이 방사선-환경 노출 거동에 어떻게 영향을 미칠 수 있는지에 대한 기계적 이해가 제한되어 있으며, 이는 조사 시 결함 생성 및 이동을 감소시키는 것으로 나타났습니다7. 따라서 이러한 합금이 어떻게 미세 구조 또는 상 안정성을 유지하거나 상실하는지, 여러 극한 환경에서 상 및 미세 구조 진화를 중지하거나 늦추기 위해 어떤 유형의 완화 메커니즘을 적용할 수 있는지 이해하는 것이 중요합니다.
1–2 μm lateral size and a thickness of ~1.1 ± 0.2 μm, and a top layer that has lateral grain size of ~500 ± 100 nm and a thickness of 1 ± 0.1 μm. The bottom layer consists primarily of a (Co,Ni)-rich silicide with particles of Cr-rich silicide and Cu-rich silicide. The top layer consists of large Cu-rich silicide regions along with Cr-rich silicide, (Co,Ni)-rich silicide, and Fe-bearing silicide. Fe appears to be present in all the silicide phases, but there appear to be regions that are primarily Fe-silicide. The composition of several regions using STEM-EDS point analysis using Cliff–Lorimer quantification (spots shown in the STEM-high angle ADF (HAADF) image in Fig. 4) is presented in Table 1. The first three spots are in the bottom layer. Based on composition ratios and in comparison with binary phase diagrams32,33,34,35,36, the bulk of the bottom layer consists of a (Co,Ni)Si2 phase. The particles in the bottom layer are likely Cu3Si and CrSi2. Spots 4–8 are in the top layer. Most of this layer consists of MSi2 phases, where M = Cr, Fe, and to a lesser extent (Co, Ni). The exception is the Cu-rich regions, which appear to be more Cu-rich than the Cu-rich particles in the bottom layer; these Cu-rich regions may be Cu15Si4 when compared to the binary Cu–Si phase diagram34. The oxygen signal may show either the presence of M-oxide phases or are evidence of void space via being an artifact (as these regions are dark in HAADF). The O k-α peak also overlaps with the Cr L-α peak and can be an artifact where Cr is present, and where the Cr signal is weak and O is rich, is real./p>1016 cm−2, the silicides change to being more silicon-rich in the form of CrSi2, CoSi2, and FeSi2-type silicides. At a fluence >1016 cm−2, the onset fluence when the fcc phase effectively disappears, the XRD result is consistent with the previous STEM-EDS analysis (Figs. 4 and 9). NiSi, NiSi2, and CuSi2 were not included as they align with FeSi and FeSi2. One phase not identified by fitting the XRD data was the Cu0.83Si0.17 phase found in Fig. 9 at a fluence of 2.0 × 1016 cm−2. This could be due to the relatively large depth from the surface and the non-homogeneous nature of this phase throughout the film. Further details about the reference sample and Rietveld analysis are in Supplemental Figs. 4 and 5./p>
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