Acta Materialia: 高熵合金固溶體中的化學短程序與晶格畸變效應

引言：

傳統的合金設計理念往往選取一到兩種元素作為主要合金元素，并且通過其他微量元素的添加來改善合金的特定性能來滿足各種工業應用需求。近年來，一種新型的高熵合金設計理念打破了固有思維，成為金屬材料領域的研究熱點，一系列具有優異性能的高熵合金被陸續開發出來。在早期的高熵合金研究中，研究人員通常認為高熵合金所具有的較高的構型熵有助于穩定單相固溶體結構，其組成原子被認為是完全無序的分布在晶體點陣結構中。然而，由于高熵合金成分的復雜性，其成分原子之間的化學相互作用、原子尺寸差異和彈性模量差異往往會造成原子之間的短程有序分布。最近的研究結果表明，化學短程有序廣泛存在于高熵合金體系之中，并且對高熵合金的力學性能和結構穩定性具有重要影響。然而，關于高熵合金中的化學短程序的來源和演化規律這一根本問題仍然沒有得到很好的理解。

成果簡介：

近日，香港城市大學楊勇教授課題組聯合臺灣中央研究院包淳偉教授課題組等多家研究機構，構建了自洽的熱力學模型定量描述高熵合金中的化學短程序的演化規律并且利用一系列實驗與模擬手段對CoCrFeNi這一模型體系的化學短程序與晶格畸變效應進行了分析，相關研究成果以“Understanding Chemical Short-Range Ordering/Demixing Coupled with Lattice Distortion in Solid Solution High Entropy Alloys”?發表在Acta?Materialia上。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117140

本研究從固溶體熱力學模型出發，對于n組元合金體系定義了n(n-1)/2個獨立的有序參量來精確描述固溶體內部的化學有序結構。通過吉布斯自由能最小化得到化學有序參量和構型熵在不同的固溶體體系中隨溫度的演化規律。通過理論模型的分析，高熵合金中的無序固溶體假設只在高溫區有效。隨著溫度的降低，固溶體合金中的不同原子對之間的化學有序(ordering)與分離(demixing)會愈加明顯，其構型熵也會顯著降低。通過與相關模擬結果比較，該理論模型能夠預測不同固溶體合金體系中的構型熵隨溫度的變化規律，對理解固溶體合金體系的相穩定具有重要意義。研究人員進一步選取CoCrFeNi作為模型體系，利用高能X射線衍射，密度泛函理論(Density functional theory)，逆蒙特卡洛模擬(Reverse Monte Carlo simulation)等手段對該模型體系的化學短程序和晶格畸變效應進行了分析，并且與理論模型進行了比較。

圖文導讀：

圖1. 不同有序程度下的二元固溶體體系中原子結構示意圖（a）完全無序狀態，（b）完全有序狀態，（c）完全分離狀態。（d）二元合金體系中不同有序狀態下的構型熵。

圖2. 不同固溶體合金體系中有序參量隨溫度的演化關系（a）CoCrFeNi合金體系，（b）MoNbTaW合金體系，（c）CoOsReRu合金體系。（d）理論預測的構型熵與模擬結果的對比。

圖3. 模型體系CoCrFeNi的逆蒙特卡洛模擬結果。

圖4. 模型體系CoCrFeNi中的原子團簇分析。

總結：

在該項工作中，研究人員構建了自洽的熱力學模型用以定量描述多組元合金體系中的化學短程有序程度，并且該模型可以定量計算不同溫度下合金體系的構型熵，對于理解高熵合金中的相穩定性具有很強的指導意義。研究人員采用逆蒙特卡洛模擬針對CoCrFeNi合金體系中的晶格畸變和化學短程序行為進行了定量研究與分析。該項工作的研究方法與結果，對于揭示理解高熵合金的化學短程有序具有重要的意義。

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