揭示高熵NbMoTaW合金,薄膜热稳定性奥秘
合金与金属相比，除具有金属的特性外，还具有许多比单组分金属更优良的物理、化学或机械性能，如硬度大、密度低、耐磨、耐腐蚀等，因而广泛应用于人们的衣食住行以及航空、航天、机械制造、船舶等领域。合金的性能可以通过所添加的元素种类、含量以及合成条件等来加以调控。近期，大连理工大学李晓娜教授团队通过射频磁控溅射法制备了一系列 (NbMoTaW)100-xVx (x = 0 ~ 30.5, at%) 合金薄膜，探究了由弱焓相互作用元素V引起的局域结构转变对NbMoTaW体系性能的影响，揭示了高熵合金薄膜的高稳定性不仅源于元素本身的高熔点，而且与高无序程度和焓相互作用引起的微观结构波动有关，有望在高温、高硬度、耐磨损等条件下得到广泛应用。
该论文以“Weak enthalpy-interaction-element-modulated NbMoTaW high-entropy alloy thin films”（弱焓相互作用元素调制的 NbMoTaW 高熵合金薄膜）为题发表于国际知名期刊《Applied Surface Science》。岛津上海分析中心SPM（扫描探针显微镜）应用工程师刘仁威博士作为共同作者，使用岛津SPM-9700HT完成了薄膜样品表面电流的表征和分析工作。
研究成果掠影
目前，很多工作研究了合金的局域结构与机械强度之间的关系，而干扰成分对局域结构与合金热稳定性关系的研究却很少。NbMoTaW难熔高熵合金具有单一的BCC结构，且组成元素具有较高的熔点，因而表现出良好的热稳定性，是研究局域结构与热稳定性关系的理想材料。该论文通过添加不同含量的V元素，探究了高熵NbMoTaW薄膜具有较高热稳定的原因。
图2 (a) BCC结构示意图，
(b)NbMoTaW难熔高熵合金，N、M表示Nb、Ta、Mo、W的随机分布，
(c~d)(NbMoTaW)100-xVx薄膜团簇中加入V元素后的原子相互作用示意图，
(e)V的添加量对NbMoTaW薄膜力学性能影响，
(f)当V含量为27.4%时，NbMoTaW薄膜的电流分布
为了更加深入地理解合金成分-结构-性能之间的关系，论文作者利用SPM建立了合金薄膜微结构-导电性的关系，研究了(NbMoTaW)100-xVx的导电机理。文中采用岛津SPM-9700HT的电流模式测试了NbMoTaW、(NbMoTaW)91.5V8.5、(NbMoTaW)72.6V27.4以及(NbMoTaW)69.5V30.5薄膜的表面形貌和电流分布（见图3）。蓝色和红色代表薄膜表面的导电性差异，蓝色区域导电性较好，而红色区域导电性较差。由图可以看出无V元素时，NbMoTaW薄膜电流分布有明显起伏，蓝色区域较多。而随V元素的加入，薄膜表面电流起伏变化明显减小，蓝色区域明显减小，当V含量达到30.5%时，蓝色区域已经很少。NbMoTaWV薄膜始终保持单一BCC结构，因此表面电流分布的变化与成分偏析密切相关。
V元素的加入不仅降低了由成分偏析导致的电导率差异，而且改善了成分或电导率的均匀性，提高了电阻率，这与STEM成分分析和电阻率测量结果一致。此外，通过对三维表面高度图和电流分布图进行叠加，可以消除由于粗糙度引起的表面电流变化。
图3 NbMoTaW, (NbMoTaW)91.5V8.5, (NbMoTaW)72.6V27.4以及 (NbMoTaW)69.5V30.5薄膜的三维高度图(a1~a4)，电流分布(b1~b4)以及将电流分布叠加到高度图上的三维图(c1~c4)
岛津SPM，您的科研好助手
客户心声
李晓娜教授课题组合照
论文第一作者毕林霞（前排左一）表示：“为了探究了由弱焓相互作用元素V引起的局部结构转变对NbMoTaW体系的热稳定性的影响，我们制备了一系列 (NbMoTaW)100-xVx(x=0~30.5, at%)薄膜，并系统性地研究了其微观结构、力学性能以及电导率等。利用SPM表面电流模式，可以清晰地获得薄膜微区导电性能分布，并建立了微结构-导电性的关系，有助于我们深层次理解成分-结构-性能之间的关系。本工作在岛津公司上海分析中心刘仁威博士的帮助下进行，非常感谢岛津分析中心提供的大力帮助，希望今后继续合作。”