单相高熵合金凝固过程中固液界面特性及行为

High Entropy Alloys (HEAs) have drawn much attention recently because of their remarkable features, including high configurational entropy, severe lattice distortion and sluggish diffusion， and their potential applications in some special circumstances. On the one hand, solidification is the essential process during the preparation of HEAs and plays an important role in microstructure control. On the other hand, the new features of HEAs bring new phenomena and challenges to the existing solidification theory. Up to now, however, the solidification of HEAs causes less attention, which also limits the development of HEAs. In this proposal, we will investigate the solidification process of HEAs with emphasis on the solid-liquid interface from both thermodynamics and kinetics aspects. The thermodynamic model of HEAs will be evaluated to improve the thermodynamic database of HEAs. The solid-liquid interface model and solute trapping model suitable for HEAs will also be established. We will reveal the mechanisms of high entropy effect on the thermodynamic driving force, equilibrium solute partition and interface energy across the solid-liquid interface. The influence of sluggish diffusion on the solute trapping and interface morphology evolution will also be evaluated. The success of this proposal can supply theoretical explanation for the microstructure evolution in HEAs' solidification under various conditions and pave the way for the design of solidification microstructures.

由于具有高混合熵、高晶格畸变、缓慢扩散等新效应，且在某些特殊工作环境中具有重要的应用前景，高熵合金自一提出就引起了广泛的关注。凝固是高熵合金制备的关键环节,凝固过程的研究是高熵合金微观组织调控的基础，同时高熵合金的新效应也必为凝固理论带来新现象和新规律。然而，高熵合金凝固过程的研究并未得到足够重视，且已成为高熵合金进一步发展的瓶颈之一。本项目拟结合关键实验和理论计算分析，以高熵合金的凝固界面热力学特性及动力学行为为主线，完善高熵合金热力学数据库，建立适用于高熵合金的固-液界面结构模型及溶质截留模型，揭示高熵效应对相变驱动力、界面平衡溶质分配、界面能等热力学特性的影响机制，阐明缓慢扩散效应对溶质截留及界面形态演化等动力学行为的影响规律，明确不同凝固条件下高熵合金固-液界面演化动力学及微观组织选择规律，为实现高熵合金凝固微观组织的调控及高熵合金凝固理论的完善奠定基础。

高熵合金的制备过程是基础科学研究的关键环节之一，与合金成分、微观组织共同决定了材料的最终服役性能。凝固是高熵合金制备过程的重要组成部分,相关研究是高熵合金微观组织调控的基础。同时高熵合金的多主元化也必为凝固理论带来新现象和新规律。高熵合金凝固过程并未得到足够重视，且已成为高熵合金进一步发展的瓶颈之一。针对高熵合金的凝固过程中的关键问题，本项目采用计算相图、快速凝固、定向凝固及理论建模研究了高熵合金凝固过程的界面热力学特性及动力学行为，揭示了高熵合金固液界面的演化动力学及微观组织选择机制。在研究高熵合金凝固的过程中，对高熵合金的相选择、相稳定性进行了深入的研究，并获得性能优异的高熵合金。研究取得了以下重要进展：.1）深入研究了高熵合金的热力学：建立了高熵合金的界面热力学模型，揭示了高熵合金的高熵效应对固液界面原子粗糙度的影响；建立了高熵合金的空位和团簇的热力学模型，为高熵合金的扩散、辐照研究提供了热力学基础。.2）揭示了高熵合金的原子尺寸效应：提出了高熵合金的原子尺寸差异模型，定量表征了高熵合金的晶格畸变；首次证明了15%原子尺寸差异为合金固溶度的临界值，提出了多元合金固溶的原子尺寸判据。.3）发展了CoCrFeNi的合金化体系：获得了Al、Ti、Nb、Mo等元素在CoCrFeNi基体中的平衡分配系数、固溶度和相稳定性，为高性能高熵合金的设计及凝固组织调控提供支撑。.4）提出了高熵合金组织调控方案：通过激光快速凝固和定向凝固工艺调控高熵合金微观组织；获高熵合金的凝固成型组织选择规律。.5）展开了部分探索研究：揭示了高熵合金的耐蚀特性及耐蚀机制；采用液相电弧放电技术成功制备出高熵合金纳米颗粒。.发表SCI论文19篇（包括Scripta matter 5篇，J Alloys Compd 5篇， Phys. Rev. Matt. 1篇），申请国家发明专利3项。在本领域重要的国际会议上做报告3次。培养博士、硕士4人。