BESSY II: Lokale variaties in de atomaire structuur van legeringen met een hoge entropie

Legeringen met een hoog entropiegehalte zijn bestand tegen extreme hitte en stress, waardoor ze geschikt zijn voor een verscheidenheid aan specifieke toepassingen. Een nieuwe studie aan de röntgensynchrotronstralingsbron BESSY II heeft nu diepere inzichten opgeleverd in de ordeningsprocessen en diffusieverschijnselen in deze materialen.

Bij het onderzoek waren teams van HZB, het Federaal Instituut voor Materiaalonderzoek en Testen, de Universiteit van Letland en de Universiteit van Münster betrokken, en het is gepubliceerd in Nano-onderzoek.

Het team analyseerde monsters van een zogenaamde Cantor-legering, die bestaat uit vijf 3D-elementen: chroom, mangaan, ijzer, kobalt en nikkel. De monsters van kristallijne structuren (face-centered cubable, fcc) werden bij twee verschillende temperaturen uitgegloeid en vervolgens schokbevroren.

De studie richtte zich op het ontrafelen van lokale atomaire structuren in enkelvoudige kristallijne monsters die zijn afgekoeld vanuit een hoge temperatuur (HT) toestand, uitgegloeid op 1.373 Kelvin, of een lage temperatuur (LT) toestand, uitgegloeid op 993 Kelvin.

Om de lokale omgevingen van de afzonderlijke elementen in de monsters te analyseren, gebruikte het team een ​​beproefde methode: elementspecifieke meerrandige röntgenabsorptiespectroscopie (EXAFS). Om de meetgegevens op de meest nauwkeurige en onbevooroordeelde manier te interpreteren, voerde het team een ​​op Reverse Monte Carlo (RMC) gebaseerde analyse uit.

“Op deze manier hebben we zowel kwalitatief als kwantitatief de eigenaardigheden van de karakteristieke lokale omgevingen van elke hoofdcomponent van de legering op atomaire schaal kunnen onthullen”, legt Dr. Alevtina Smekhova van HZB uit.

In het bijzonder bieden de spectroscopische resultaten ook inzicht in de diffusieprocessen in HEA’s. Er werd bijvoorbeeld direct aangetoond waarom het element mangaan het snelst diffundeert in de HT-monsters, terwijl het element nikkel sneller diffundeert in de LT-monsters, zoals eerder werd gevonden uit diffusie-experimenten.

“Deze resultaten helpen ons de relatie tussen de lokale atomaire omgeving en de macroscopische eigenschappen van deze legeringen beter te begrijpen”, legt Smekhova uit.