Acta Mater.：Ni/Al活性多层焊接片中在低指数Ni表面的NiAl金属间化合物外延生长

【引言】

自从加工得到第一个Ni/AL纳米焊接片以来，活性多层焊接片(RMNF)凭借其极特殊的性质逐渐引起广泛关注。这些活性多层纳米焊接片是由数以百计的金属薄层组成，厚度在4~100nm不等。合金化反应在样品的某个边缘产生后，会以自保持的方式持续反应。由于过程本身放热，不需要其他的热量供应。该反应可以在相对低的温度下开始，和金属粉末混合物中的相同反应相比，反应速度更快。因此，活性多层焊接片一般用于材料连接领域或作为含能材料使用。

【成果简介】

近日，法国勃艮第大学的F.Baras教授在Acta Materialia上发表最新研究成果“Epitaxial growth of the intermetallic compound NiAl on low-index Ni surfaces in Ni/Al reactive multilayer nanofoils”。文章通过分子动力学模拟对Ni-Al焊接片自蔓延反应的晶体生长展开相关研究。以(001)、(101)、(111)这三个低指数的Ni表面为例，探究在Ni的界面出混合和合金化的过程中，NiAl的不均匀外延生长情况。显微结构的演化沿晶粒取向动力学的轨迹进行。在所有的实例中，基于Ni和NiAl单胞之间的关系建立的简单几何构型，来解释晶体生长特征。形核过程和生长动力学均有研究。本项工作证明晶体生长根据Ni的不同取向会产生较大差异。

【图文导读】

图1：活性多层纳米焊接片中自保持前沿的示意图。预热区由交替排列的反应物组成，补燃区充满了NiAl晶粒。

图2：层状NiAl体系的分子动力学模拟图示。

(a)模拟系统的原始构型，一个Al薄片位于两个Ni层之间，模拟盒子尺寸为L_x=L_y=13.6nm,L_z=22.3nm。该系统由316602个原子组成；

(b)t= 20ns时的系统快照，选取位置在更低的界面附近。

图3：固态Ni的三个不同的表面取向（顶视图）。

图4：在Ni的(001)界面(a)和(111)界面(b)处，NiAl的晶粒取向直方图。

图5：NiAl在界面处外延生长的示意图。

图6：NiAl单胞对应的立方体。

图7：模拟得到的Ni-[001]基底的选区电子衍射表征分析。

(a)模拟得到的系统在z方向坐标为65到105部分的选区电子衍射图(SAED)；

(b)计算得到的Ni-[001]基底衍射图和NiAl-[101]四个取向的叠加。

图8：模拟得到的Ni-[111]基底的选区电子衍射表征分析。

(a)模拟得到的系统在z方向坐标为65到105部分的选区电子衍射图(SAED)；

(b)计算得到的Ni-[111]基底衍射图和NiAl-[101]六个取向的叠加。

图9：在Ni（110）面上NiAl的外延生长示意图。

(a)Ni原子的排列方式图示;

(b)Ni原子相对参考平面发生轻微位移，其上一层的相邻平面处，NiAl单胞置于(110)Ni界面处。

图10：模拟得到的Ni-[110]基底的选区电子衍射表征分析。

(a)模拟得到的系统在z方向坐标为65到105A ̇部分的选区电子衍射图(SAED)；

(b)计算得到的Ni-[110]基底衍射图和已发生晶化的NiAl晶粒的叠加。

图11：在形核和生长过程中，不同时间的系统快照。

图12：反应过程中，不同时间下，界面上下的原子排列情况。

(a)界面以下的系统切片快照，在混合过程开始后立即取样；

(b)界面以上的系统切片快照，在NiAl相晶化后(t=40ns)；

(c)已晶化区域以上的液相区切片快照。

图13：Ni基底取向对形核和长大的影响。

(a)对界面的三个不同取向，在更低界面处bcc原子数量随时间变化情况；

(b)界面处bcc原子的晶粒数随时间变化情况。

【结论】

在Ni-Al纳米焊接片中的自蔓延高温合成可导致界面处形成NiAl金属间化合物。所得的显微结构是被晶界分开的多取向晶粒集合体。这是富Ni样品的典型特征，在固液界面上观察到形核现象。本工作的侧重点在于控制晶粒取向的重要作用。作者考虑了固态Ni界面的三个低指数取向，通过分子动力学模拟对晶粒形核生长情况展开表征分析。除了对分子动力学模拟结果的分析，作者还提供了转变的完整表述，并对观测结果给出了简洁的几何学解释。最终，结果显示Ni基底的取向在形核和生长方面发挥着重要作用。对该产物进行织构分析的特殊工具也可以进一步发展应用于NiAl金属间化合物的表征。分子动力学模拟过程中，更一般地，这些工具可以用于绘制生成相晶体学取向的图谱。

文献链接：Epitaxial growth of the intermetallic compound NiAl on low-index Ni surfaces in Ni/Al reactive multilayer nanofoils（Acta Mater., 2018, DOI：10.1016/j.actamat.2018.01.035）

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