合金與金屬相比，除具有金屬的特性外，還具有許多比單組分金屬更優良的物理、化學或機械性能，如硬度大、密度低、耐磨、耐腐蝕等，因而廣泛應用于人們的衣食住行以及航空、航天、機械制造、船舶等領域。合金的性能可以通過所添加的元素種類、含量以及合成條件等來加以調控。近期，大連理工大學李曉娜教授團隊通過射頻磁控濺射法制備了一系列 (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引起的局域結構轉變對NbMoTaW體系性能的影響，揭示了高熵合金薄膜的高穩定性不僅源于元素本身的高熔點，而且與高無序程度和焓相互作用引起的微觀結構波動有關，有望在高溫、高硬度、耐磨損等條件下得到廣泛應用。
圖1 論文首頁
該論文以“Weak enthalpy-interaction-element-modulated NbMoTaW high-entropy alloy thin films”（弱焓相互作用元素調制的 NbMoTaW 高熵合金薄膜）為題發表于國際知名期刊《Applied Surface Science》。島津上海分析中心SPM（掃描探針顯微鏡）應用工程師劉仁威博士作為共同作者，使用島津SPM-9700HT完成了薄膜樣品表面電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結構與機械強度之間的關系，而干擾成分對局域結構與合金熱穩定性關系的研究卻很少。NbMoTaW難熔高熵合金具有單一的BCC結構，且組成元素具有較高的熔點，因而表現出良好的熱穩定性，是研究局域結構與熱穩定性關系的理想材料。該論文通過添加不同含量的V元素，探究了高熵NbMoTaW薄膜具有較高熱穩定的原因（見圖2）。
圖2 (a) BCC結構示意圖，
(b)NbMoTaW難熔高熵合金，N、M表示Nb、Ta、Mo、W的隨機分布，
(c~d)(NbMoTaW)100-xVx薄膜團簇中加入V元素后的原子相互作用示意圖，
(e)V的添加量對NbMoTaW薄膜力學性能影響，
(f)當V含量為27.4%時，NbMoTaW薄膜的電流分布
為了更加深入地理解合金成分-結構-性能之間的關系，論文作者利用SPM建立了合金薄膜微結構-導電性的關系，研究了(NbMoTaW)100-xVx的導電機理。文中采用島津SPM-9700HT的電流模式測試了NbMoTaW、(NbMoTaW)91.5V8.5、(NbMoTaW)72.6V27.4以及(NbMoTaW)69.5V30.5薄膜的表面形貌和電流分布（見圖3）。藍色和紅色代表薄膜表面的導電性差異，藍色區域導電性較好，而紅色區域導電性較差。由圖可以看出無V元素時，NbMoTaW薄膜電流分布有明顯起伏，藍色區域較多。而隨V元素的加入，薄膜表面電流起伏變化明顯減小，藍色區域明顯減小，當V含量達到30.5%時，藍色區域已經很少。NbMoTaWV薄膜始終保持單一BCC結構，因此表面電流分布的變化與成分偏析密切相關。
V元素的加入不僅降低了由成分偏析導致的電導率差異，而且改善了成分或電導率的均勻性，提高了電阻率，這與STEM成分分析和電阻率測量結果一致。此外，通過對三維表面高度圖和電流分布圖進行疊加，可以消除由于粗糙度引起的表面電流變化。
圖3 NbMoTaW, (NbMoTaW)91.5V8.5, (NbMoTaW)72.6V27.4以及 (NbMoTaW)69.5V30.5薄膜的三維高度圖(a1~a4)，電流分布(b1~b4)以及將電流分布疊加到高度圖上的三維圖(c1~c4)
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客戶心聲
李曉娜教授課題組合照
論文作者畢林霞（前排左一）表示：“為了探究了由弱焓相互作用元素V引起的局部結構轉變對NbMoTaW體系的熱穩定性的影響，我們制備了一系列 (NbMoTaW)100-xVx(x=0~30.5, at%)薄膜，并系統性地研究了其微觀結構、力學性能以及電導率等。利用SPM表面電流模式，可以清晰地獲得薄膜微區導電性能分布，并建立了微結構-導電性的關系，有助于我們深層次理解成分-結構-性能之間的關系。本工作在島津公司上海分析中心劉仁威博士的幫助下進行，非常感謝島津分析中心提供的大力幫助，希望今后繼續合作。”
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