Acta Mater.: Mn+1AXn相在离子辐射诱导阶段转变时X和n因子的作用


【引言】

Mn+1AXn, 三元层状的碳化物或氮化物由于其优异的性能引起广泛关注。其中M代表过渡元素, A代表ⅢA或ⅣA族元素, X代表C元素或N元素, n=1、2或3。根据n值分别取1、2、3,则Mn+1AXn可以分为3个系列:211系,如Ti2SC;312系, 如Ti3SiC2; 413系, 如Ti4AlN3。本文从Mn+1AXn相 (Ti2AlN, Ti2AlC, 和 Ti4AlN3)出发, 利用离子辐射, 研究了其相诱导转变过程。

【成果简介】

北京大学教授王宇钢通过TEM和GIXRD显微镜观测, 发现密排六方结构(hcp)中由1 MeV Au+离子辐射发生相诱导转变从而生成 Mn+1AXn相(本文主要研究Ti2AlN, Ti2AlC和 Ti4AlN3)。并且在一系列离子影响下, 观测到每平方厘米里面有1×1014 到 2×1016 个离子。并且通过TEM图像和选区分析(SAED)观测到辐射后结构发生诱导转变的进化过程。经过所得相图像的相互对比和EDP的模拟, 对于相转变中的原子尺度机制已经进行定义。离子辐照引起的Ti/Al反位缺陷和扩展位错的形成, 导致了初始的hcp在诱导阶段中, 中间相γ-相向fcc相的转变。在同样辐射条件下的Ti2AlC与Ti4AlN3的形成行为进行实验数据和第一性原理计算进行比较。在辐射条件中Mn+1AXn相中X和n 的数值变化对其转变行为过程进行了深度阐述。相对于辐射发生诱导转变, 金属在Ti-Al-X (X=C, N)体系中的脆断机制(根据其成键特点和MAX相的组成), Ti2AlC相比较于Ti2AlN(由于比较强的Ti-Al 共价键结合, Ti4AlN3 相对于辐射诱导相的转变比Ti2AlN更有抵抗外界的能力)的辐射诱导相转变来讲有轻微的不敏感性。在辐射诱导固体溶解相中, 由于低Al含量和低阴离子空缺率, 所以Ti4AlN3相比Ti2AlN相更具有抵抗辐射诱导相转变的能力。

该成果以“Role of the X and n factors in ion-irradiation induced phase transformations of Mn+1AXn phases”为题于2017年11月4日发表Acta Materialia在上。

【图文导读】

1.面心立方结构 (Ti2AlN, Ti4AlN3TiN)的单胞参数

1. 毁坏阶段每个原子替换的侧面深度描绘(dpa)与通过1MeV Au+离子辐射下离子集中移植诱导反应在Ti2AlN, Ti2AlC Ti4AlN31×1016 cm-2中由 SRIM所测所得数据

2.晶胞中的原子晶格配置, HRTEM图像和相关的SEAD图像(a-gTi2AlNn-hTi4AlN3)

电子入射方向平行于(11-20)方向和(1-100)方向的图像分别位于HRTEM图像的最上方和最下方。Ti 和 Al的阳离子在 Ti2AlX(X=C, N) 平行于(0001)上按原子顺序ABABAB排好, 在此堆垛序中Al原子由下划线表示出来。希腊字母代表阴离子。

3.原始与辐射后的Ti2AlN(a), Ti2AlC (b) Ti4AlN3 (c)在范围从1×1014 cm-2 to 2×1016 cm-2不同影响下的代表GIXRD 图像

随着影响因素的增加,对于所有初始相在强度上和光谱范围内的最大相关衍射表明其从hcp到fcc的转变。图中,蓝色三角形代表与中间γ-Ti2AlN相相一致的顶点,红色圆形代表 fcc面心立方相。

4. 计算  (a) Ti2AlN(b) Ti2AlC所得态密度和部分态密度

所标绿线表示费米能级处的态密度(DOS)。

图5. Ti2AlN (a-d),  Ti2AlC (e-h) 和Ti4AlN3 (i-l) 在1 MeV Au+在1×1014 cm-2 (a, e, and i), 1×1015 cm-2 (b, f, and j), 1×1016cm-2 (c, g, and k), and 2×1016 cm-2 (d, h, and l)的辐射SAED 图像 (以上几种图像都是由电子入射光平行于(11-20), 绿色箭头代表了新fcc结构的散点,红色箭头代表着(-1100)上的重要衰变散射点)。

【展望】

本文从Mn+1AXn相中的一部分出发对X和n因素进行了离子辐射研究。研究的内容有限,为了寻求更加符合经济型社会的新材料,个人认为此法可继续研究深入探讨。

文献链接:Role of the X and n factors in ion-irradiation induced phaseTransformations of Mn+1AXn phase(ActaMater,2017,DOI:10.1016/j.actamat.2017.11.008)

本文由材料人编辑部付钰编辑,赵飞龙审核,点我加入材料人编辑部。 

材料测试,数据分析,上测试谷!

分享到