多元稳定固溶体的团簇加连接原子结构模型及其在Cu合金设计中的应用

多数工程合金基于多元固溶体，合金化效果需要固溶体结构稳定性的保证，过多添加导致相析出而失去固溶效果。其关键科学问题在于建立稳定固溶体的结构模型。我们在前期工作中，引入我们针对准晶非晶提出的团簇加连接原子模型，初步解释了Cu-Ni合金中Fe的最佳含量问题，预示着该模型可能普适于多元固溶体合金。本项目以具有重要工业价值的Cu-Ni基白铜合金为研究背景，重点研究与Cu呈弱混合焓、与Ni呈负混合焓的Fe、Co、Cr、V、Nb、Mo、Ta、W、Sn、Al等合金化元素，在团簇式的框架下，通过调整合适的M/Ni比例来实现在Cu中难溶的元素M在Cu-Ni合金中的有效溶入，建立Cu-Ni-M稳定固溶体结构模型并实施合金设计，进而测试力学性能、热稳定性、耐蚀性和导电性，整体性地对这类Cu-Ni多元铜合金进行共性研究，推出具有普适意义的稳定固溶体结构理论，以指导工程合金设计。

项目针对多元Cu-Ni-M合金，引入团簇加连接原子模型，建立了面心立方和体心立方稳定固溶体合金的结构模型，并以此解析了现有合金牌号成分。在团簇式[M1-Ni12]Cux的框架下实施合金成分设计和性能测试，发展了一批高导电率铜合金，为引线铜合金提供了新成分配方，从而初步建立一种基于化学近程序结构单元的合金设计理论，揭示了工程合金成分的结构根源，提出普适意义的多元合金设计理论。我们目前正致力于完善模型，并使之形成实用合金设计方法。代表性成果包括：1）面心立方合金固溶体结构模型及Cu-(Zn,Ni)合金成分解析，Sci Rep 2014；2）体心立方合金固溶体结构模型及相关合金成分解析，J Alloys & Comps 2015；3）以团簇模型解释三元合金电阻率规律，J Phys D Appl Phys 2016；4）团簇的定义，J Appl Cryst 2015（晶体学领域最具影响力刊物）；5）高稳定导电铜互联线，美国专利2015。