第一原理计算研究过渡金属高熵合金的力学性能强化机理

高熵合金是本世纪初由我国台湾省的科研人员率先研制成功的一种新型金属结构材料。由于它具有高强度、高硬度、耐腐蚀、抗磨损和良好的高温热稳定性从而有望成为传统合金材料最具竞争力的替代品。高熵合金的优异性能主要由它在热力学、动力学和晶体结构方面的高熵效应、缓慢扩散效应、晶格扭曲效应和鸡尾酒混合效应所决定。在原子、电子尺度下理解这些效应强化合金力学性能的微观机理对于该类新型材料的成分设计和实验制备具有重要意义。本项目拟结合多种新发展的理论建模技术，采用第一原理计算方法对由十种常见过渡金属元素组成的共计252种五元高熵合金系统的原子、电子结构与它们的力学、热力学性质之间关系进行详细比较研究。在原子、电子尺度上揭示高熵合金的力学性能强化机理，提出优化高熵合金力学性能的合金成份设计思路。

本项目取得的科研成果包括：1、采用第一原理计算方法研究了由元素周期表中第四、五周期中所有过渡族金属元素和铝组成的五元和六元高熵合金的局域原子、电子结构和成键特征。研究发现在高熵合金的局部原子结构中存在着严重的晶格畸变，并且不同元素晶格点位上的原子结合强度差异明显。我们认为低温条件下高熵合金结构保持稳定的主要原因不是由于高熵而是由于其中异类元素之间的扩散困难。低温条件下固体中的元素扩散困难阻止了其中的元素偏析和析出相的形成，从而使得高熵合金的原子结构得以在低温下稳定保持。我们提出的高熵合金形成机理如下：高熵合金的制备首先需要在高温条件下将数种接近等摩尔数量的纯金属熔化在一起。由于高熵合金相的高构型熵特点，元素混合熔体在随着温度的降低凝固时会优先析出高熵合金相。在低温下由于构型熵对合金相结构稳定的贡献失去了主导作用，尽管此时高熵合金相与该合金中的其它析出相相比在系统能量方面可能不再具有优势，但是由于低温下高熵合金中元素的扩散困难使得其它析出相难以形成，从而保证了高熵合金在较低温下的结构稳定性。我们指出高质量高熵合金制备中需要着重注意的两个关键因素为：一是需要准确掌握高熵合金相的初始析出温度；二是当温度低于高熵合金初始析出温度后的系统降温过程要非常快。2、成功创建了五元和六元BCC高熵合金的块体原子结构模型。我们通过对驰豫后的高熵合金块体原子结构进行分析发现：尽管在BCC高熵合金块体中近邻原子之间存在着体心立方配位关系，但是由于在各BCC晶格点位上的元素种类不同及其元素的随机占位特点使得高熵合金中不存在严格的长程平移有序性。我们认为实验中观察到的高熵合金的晶体特征是由于块体中的晶格点位在较大范围内平均的结果。由此，我们指出高熵合金不是晶体而是一种接近理想的三维类晶体(paracrystal)结构。从1950年德国科学家R. Hosemann首次提出类晶体的概念以来，高熵合金应该是人类至今发现的首种真正的三维类晶体相。高熵合金的类晶体属性使得位错在其块体结构中难以形成和运动。3、详细探讨了高熵合金的设计思路。我们认为在高熵合金设计中应基本排除位错对其力学性质影响的因素，应该重点侧重于对高熵合金相中的晶粒尺寸及其晶粒之间相互关系方面的考虑。高熵合金单晶具有极高的屈服强度，但韧性差；高熵合金多晶结构尽管降低了其屈服强度但会在材料韧性方面获得较大提升。