高熵合金形成的熱力學原理和成分設計新方法探索

《高熵合金形成的熱力學原理和成分設計新方法探索》是依託福州大學，由吳波擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：高熵合金形成的熱力學原理和成分設計新方法探索
• 依託單位：福州大學
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：吳波

項目摘要

多主元高熵合金概念的提出，在合金設計中具有劃時代的意義，極大地拓展了金屬材料的領地。然而目前為炒菜式地零星研發，缺乏有效的成分設計理論作指導。項目擬從合金熱力學角度，探索高熵合金形成的熱力學原理和成分設計新方法。基於嚴格的晶體學結構信息，考慮到元素占位存在或多或少的有序化這一事實，採用熱力學亞點陣模型，結合第一性原理計算，形成包含50餘種常用金屬元素，30餘種常見合金相的端基化合物的熱力學資料庫；根據有序化理論和相平衡原理，計算任意多主元合金的相組成，占位分數和熱力學函式；根據生成Gibbs自由能和混合熵值大小，篩選出可能的高熵合金成分；進一步運用第一性原理方法預測合金的物理和力學性質，推薦出具有優異性能的成分組合，並輔佐以關鍵實驗來驗證其相結構和物理、力學性能。最終為高熵合金的成分和結構設計，以及性能預測提供一套完整的解決方案，集成開發出相應的軟體和資料庫，加速開發這一材料寶藏。

結題摘要

多主元高熵合金是合金組成元素的含量中，大部分元素含量傾向於平均化設計，其結構傾向於簡單化，並可望具有一種或多種獨特力學、物理和化學性能。多主元高熵合金概念的提出，在合金設計中具有劃時代的意義，極大地拓展了金屬材料的成分選擇範圍。近20年來，這類新型合金研究活躍，但基本上屬於炒菜式地零星研發，缺乏有效的成分設計理論作指導，甚至一些所謂的“多主元-高熵-高性能”理論邏輯受到越來越多的質疑和否定，尤其是其相對較高的原材料成本更是這類材料進一步深入研究開發的“軟肋”。本項目考慮到元素占位存在或多或少的有序化這一事實，從原子占位有序-無序轉變的角度，探索高熵合金形成的熱力學原理。通過對決定多主元合金體系的相結構和相穩定性最重要的熱力學函式—Gibbs自由能進行建模研究，定量地給出一定多主元合金體系的平衡相結構，即對合金元素在各相中不同亞點陣上的占位有序−無序等精細結構進行考慮，定量給出體系的構型熵，即明確計算出一定多主元體系的熵實際能“高”到什麼程度；進一步考慮在這種程度下，合金的物理力學性能表現又將如何，從而提出成分設計的新準則和新方法。本項目基於嚴格的晶體學結構信息，採用熱力學亞點陣模型，結合第一性原理計算，建立了一個包含50餘種常用金屬元素，30餘種常見合金相的端基化合物的熱力學資料庫；根據有序化理論和相平衡原理，計算任意多主元合金的相組成，占位分數和熱力學函式；根據生成Gibbs自由能和混合熵值大小，篩選出可能的高熵合金成分；進一步基於元素在各個亞點陣上的占位率（占位分數）進行合金相微結構建模，運用第一性原理方法預測合金的物理和力學性質，推薦出具有優異性能的成分組合，並輔佐以關鍵實驗驗證，製備了部分具有代表性的多主元高熵合金塊體和塗層材料，測試了其精細微結構、力學性質、抗腐蝕性能和抗氧化性能。，最終為高熵合金的成分和結構設計，以及性能預測提供了一套較為完整的解決方案，集成開發出相應的軟體和資料庫，加速了這一材料寶藏的開發。圓滿完成本項目計畫任務，並對性能預測方法進行了拓展性探索。重要的研究成果是弄清了AlCrCoFeNi高熵合金的精細微結構，其具有較為優異的綜合性能，具有潛在的套用開發價值，但其成本較高，進一步探索了降低合金成本的有效途徑，通過增加低成本Fe的含量，設計和製備出了AlCrCoFe1.5Ni和AlCrCoFe2Ni耐蝕高熵合金。