Naukowcy z Centrum Doskonałości NOMATEN w Narodowym Centrum Badań Jądrowych (NCBJ), we współpracy z Massachusetts Institute of Technology (MIT), Instytutem Mikroelektroniki i Fotoniki Sieci Badawczej Łukasiewicz (IMiF) oraz Akademią Górniczo-Hutniczą w Krakowie (AGH), zbadali wpływ lokalnego uporządkowania atomów i faz wtórnych na właściwości cieplne stopu CoCrFeNi. Wyniki pokazują, że zmiany zachodzące na poziomie atomowym mogą wpływać na zachowanie materiału, a samoistnie powstające fazy umacniające mogą zwiększać jego potencjał w zastosowaniach wysokotemperaturowych.

Stopy wieloskładnikowe, w tym stopy o wysokiej entropii (HEA), są intensywnie badane ze względu na możliwość uzyskiwania korzystnych właściwości mechanicznych i fizycznych. O ich zachowaniu w środowisku pracy decyduje nie tylko skład chemiczny, ale również struktura materiału, w tym lokalne uporządkowanie atomów oraz obecność dodatkowych faz.

W pracy opublikowanej w prestiżowym czasopiśmie Acta Materialia pt. „The effects of short-range order and secondary phases on the thermal properties of a CoCrFeNi multiprincipal element alloy” przeanalizowano wpływ uporządkowania chemicznego krótkiego zasięgu (SRO, ang. short-range order) oraz faz wtórnych na właściwości funkcjonalne modelowego stopu CoCrFeNi.

Istotnym elementem pracy było porównanie wyników badań własności termicznych, uzyskanych metodą laserowej analizy błysku (LFA, ang. laser flash analysis), z pomiarami metodą spektroskopii siatki przejściowej (TGS, ang. transient grating spectroscopy) oraz metodami obliczeniowymi wykorzystującymi dynamikę molekularną (MD, ang. molecular dynamics). Pozwoliło to lepiej zrozumieć znaczenie orientacji krystalograficznej, tekstury i anizotropii materiału w pomiarach TGS, w odniesieniu do wyników LFA. Jest to ważny krok w kierunku wykorzystania tej metody do badań właściwości termicznych stopów o wysokiej entropii poddanych promieniowaniu, w tym defektowaniu strumieniem jonów.

Ważnych informacji dostarczyła również różnicowa kalorymetria skaningowa (DSC, ang. differential scanning calorimetry), której wyniki wskazują na formowanie uporządkowania chemicznego o krótkim zasięgu (SRO) oraz jego rozpad w temperaturze około 600°C. Zmianom tym towarzyszy niewielka, lecz systematyczna zmiana nachylenia zależności dyfuzyjności i rozszerzalności cieplnej od temperatury, obserwowana we wszystkich badanych próbkach. Pokazuje to, że nawet subtelne różnice w lokalnej strukturze atomowej mogą wpływać na to, jak właściwości cieplne materiału zmieniają się wraz z temperaturą. 

Z kolei obecność samoistnie powstających tlenków i węglików wpływa na właściwości cieplne w ograniczonym stopniu. Ich wartości pozostają porównywalne z wartościami charakterystycznymi dla tradycyjnych materiałów wysokotemperaturowych, takich jak stopy niklu i stale. W połączeniu z poprawą właściwości mechanicznych wykazaną we wcześniejszych badaniach zespołu, wskazuje to na potencjał wykorzystania takich faz do wzmacniania stopów, bez istotnego pogorszenia ich właściwości termicznych.

Wyniki podkreślają znaczenie uwzględniania zarówno lokalnego uporządkowania atomowego, jak i faz wtórnych przy projektowaniu nowych materiałów metalicznych do zastosowań w warunkach ekstremalnego środowiska pracy, np. wysokich temperatur, ciśnienia i pól promieniowania. Lepsze zrozumienie tych zależności może pomóc w opracowywaniu stopów łączących korzystne właściwości mechaniczne z odpowiednimi parametrami cieplnymi w zastosowaniach wysokotemperaturowych.

Wyniki badań przedstawiono w publikacji: A. Olejarz, M. Brykała, K. Kowiorski, M. Chmielewski, G. Markovic, M. Rae Chu, W. Chromiński, P. Rutkowski, K. Suchorab, W. Chmurzyński, F.J. Dominguez-Gutierrez, M.P. Short, Ł. Kurpaska, The effects of short-range order and secondary phases on the thermal properties of a CoCrFeNi multiprincipal element alloy, Acta Materialia, Volume 322, 2027, 122876, ISSN 1359-6454, https://doi.org/10.1016/j.actamat.2026.122876.