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】

M_n+1AX_n, 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M_n+1AX_n可以分为3个系列:211系,如Ti₂SC;312系, 如Ti₃SiC₂; 413系, 如Ti₄AlN₃。本文从M_n+1AX_n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 M_n+1AX_n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M_n+1AX_n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 andnfactors in ion-irradiation induced phasetransformations of M_n+1AX_nphases”为题于2017年11月4日发表Acta Materialia在上。

【图文导读】

表1.面心立方结构(Ti2AlN, Ti4AlN3和TiN）的单胞参数

图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和Ti4AlN3在1×10¹⁶cm^-2中由SRIM所测所得数据

图2.晶胞中的原子晶格配置, HRTEM图像和相关的SEAD图像(a-g是Ti2AlN，n-h是Ti4AlN3)。

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。

图3.原始与辐射后的Ti2AlN(a), Ti2AlC (b)和Ti4AlN3 (c)在范围从1×10¹⁴cm^-2to 2×10¹⁶cm^-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。

图4.计算(a) Ti₂AlN和(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1×10¹⁴cm^-2(a, e, and i), 1×10¹⁵cm^-2(b, f, and j), 1×10¹⁶cm^-2(c, g, and k), and 2×10¹⁶cm^-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M_n+1AX_n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 andnfactors in ion-irradiation induced phaseTransformations of M_n+1AX_nphase(ActaMater,2017,DOI:10.1016/j.actamat.2017.11.008)

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