Acta Mater：第一性原理揭示Al摻雜CrMnFeCoNi高熵合金的相選擇規律

【引言】

自高熵合金的概念提出后，研究人員根據高熵理論開發出了眾多高熵合金體系。相比于傳統合金，高熵合金具有優異且可調節的性能，有望運用于很多領域。其中，典型的高熵合金CrMnFeCoNi以其優異的抗拉強度、低溫斷裂韌性和較高的室溫臨界分切應力等優勢得到了廣泛的關注。然而，目前對CrMnFeCoNi基高熵合金的相穩定性、機械性能和磁性能的理論研究非常有限。

【成果簡介】

日前，西安交通大學副教授張華磊（通訊作者）在Acta Materialia上發表了一篇名為Phase selection rule for Al-doped CrMnFeCoNi high-entropy alloys from firstprinciples的文章。研究人員采用第一性原理的方法，研究了雙相（fcc與bcc）順磁Al_xCrMnFeCoNi (0 ≤ x ≤ 5)高熵合金的相穩定性和磁性能。研究表明，合金的晶格常數隨x的增加而穩定增大，Al元素的加入降低了fcc結構的穩定性，晶體結構逐漸從fcc轉變為bcc。bcc結構的磁性轉變溫度隨x的增加而急劇降低，而fcc結構的磁性轉變溫度對成分不太敏感。和Al_xCrFeCoNi相比，添加等原子比的Mn元素會減小fcc相的穩定區間同時在一定程度上抑制bcc相的出現，因此有利于3d族金屬基高熵合金雙相區的形成。

【圖文導讀】

圖1：平衡Wigner-Seitz半徑以及兩相結構能差與Al含量的關系

圖片上半部分表示理論和實驗的平衡Wigner-Seitz半徑(w, in Bohr)與Al含量的關系；圖片下半部分表示AlxCrMnFeCoNi中順磁bcc和fcc的結構能之差。

由圖可知，晶胞尺寸的理論值與實驗值基本一致。

圖2：bcc和fcc在0K時的理論局域磁矩與Al含量的關系

實心點連線表示bcc的理論局域磁矩；空心點連線表示fcc的理論局域磁矩。

圖3：bcc和fcc的理論居里溫度與Al含量的關系

圖為bcc（紅色線）與fcc（藍色線）的理論居里溫度值；從圖中可以看出，bcc相的居里溫度明顯高于fcc相，且bcc的理論居里溫度值對Al元素含量的變化比較敏感。

圖4：不同溫度下bcc與fcc的吉布斯自由能與Al含量和價電子濃度(VEC)的關系

從圖中可以看出，價電子濃度（Al含量）會影響fcc/bcc相的穩定性。例如，溫度為300 K時，VEC > 7.56會優先形成單一的fcc相，VEC < 6.93會優先形成bcc相。VEC值在中間時則會形成兩相共存態。

圖5：不同溫度下bcc與fcc理論相界與實驗結果的對比

此圖揭示了高熵合金從五元體系過渡到六元體系時，Mn元素的影響并且驗證了相選擇原理的合理性。

圖6 AlxCrMnFeCoNi合金總能量與四方晶格常數(c/a)和Wigner-Seitz半徑 (ω in Bohr)的關系

x＞1.0時，bcc成為穩定相，其機械穩定性在x=2.14時達到峰值，隨后隨x的增加而下降。

【小結】

采用第一性原理研究AlxCrMnFeCoNi高熵合金的相穩定性和磁性能與Al含量的關系。同時，揭示了等原子比的Mn元素對Al_xCrFeCoNi合金體系相穩定性的影響，用價電子濃度較好地預測了相穩定性。結果證明了第一性原理理論對于研究順磁高熵合金相穩定性的能力，并對基于價電子濃度理論的相選擇原理提供了理論支持。

文獻鏈接：Phase selection rule for Al-doped CrMnFeCoNi high-entropy alloys from first-principles (Acta Mater, 2017, DOI: 10.1016/j.actamat.2017.08.045)

本文由材料人編輯部郭勇編譯，萬鑫浩審核，點我加入材料人編輯部。

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