固溶体化学近程序结构模型及其在合金研发上的实施

A structural model for alloy solid solutions has been previously established using our cluster-plus-glue-atom model, which identifies chemical short-range-order units. Such structural units can be expressed by cluster formulas consisting of a 1st-neighbor cluster and a few outer-shell glue atoms. This is the first time that the structural origin of industrial alloys has been understood. By applying this tool, we were able to interpret a large number of existing industrial specifications as well as to develop some new alloys, proving the effectiveness of the model in developing practical alloys. The present project, to improve the presently geometrical solid solution model, especially to solve the problem of the number of glue atoms in the cluster formulas, will introduce Friedel oscillation mechanism in the cluster-plus-glue-atom model. Such a research plan will re-examine the chemical short-range-order structures in solid solutions using an electronic structure approach for the purpose of establishing in a complete manner the cluster-resonance model for solid solutions. The cluster packing geometry and optimum glue atom numbers will be determined. After this research, a precise alloy composition design method will be developed. As the materials target to test the model, the Cu-Ni-M alloys will be further investigated, where M (=Mo,Nb,Fe…) is an insoluble or weakly soluble element with Cu but is well in solution with Ni. The present project will focus on alloys with higher M/Ni ratios and larger M+Ni contents, where the extra M should be precipitated out, anticipating that high-strength Cu- and Ni-based alloys be obtained, whose structure is characterized by simultaneous dispersive precipitation and cluster solution.

我们在前期工作中提出了合金固溶体的团簇加连接原子结构模型，表述为第一近邻团簇以及次近邻连接原子的团簇成分式，首次从化学近程序结构单元结构角度揭示了工程合金成分的结构根源，籍此解析了大量现有工业合金牌号的成分式规律，并发展出来一批新合金，证实了模型的有效性。本项目针对现有固溶体几何结构模型的不足，尤其是不能确定连接原子个数的问题，引入Friedel振荡机理，从电子结构角度进一步审视固溶体的化学近程序结构，建立完整的团簇振荡结构模型，确定团簇式结构单元的空间堆垛构型以及最佳连接原子个数，为工程合金成分设计提供精确的解决方案。作为验证模型的实施对象，本项目拟把Cu-Ni-M铜合金为材料目标，其中M (=Mo,Nb,Fe…)为与Cu不溶或弱溶但与Ni互溶的元素，重点关注高M/Ni比和高M+Ni总量的合金，使多余M元素析出，有望获得弥散析出和团簇固溶的高强Cu基和Ni基合金。

本项目的研究目标是：针对现有固溶体几何结构模型的不足，尤其是不能确定连接原子个数的问题，引入Friedel振荡机理，从电子结构角度进一步审视固溶体的化学近程序结构，建立完整的团簇振荡结构模型，确定团簇式结构单元的空间堆垛构型以及最佳连接原子个数，为工程合金成分设计提供精确的解决方案。作为验证模型的实施对象，本项目拟把Cu-Ni-M铜合金为材料目标，其中M(=Mo,Nb,Fe…)为与Cu不溶或弱溶但与Ni互溶的元素，重点关注高M/Ni比和高M+Ni总量的合金，使多余M元素析出，有望获得弥散析出和团簇固溶的高强Cu基和Ni基合金。.本项目的成果完全达到了上述目标，可以总结为以下三点。.1）建立了合金设计的新方法：建立了固溶体的团簇式模型的计算方法，获得了团簇结构单元存在的物理根据，至此，我们从理论上建立了团簇模型的框架和计算方法，团簇式理论形成了我们独特的成分设计方法。.2）发展出高温型铜合金：作为本项目的实验和理论分析重点，其团簇模型的到了充分分析，我们在理解电阻率和强度基础上，提出了强阻比的新概念，为铜合金指出了全新的选材判据，进而参考镍基高温合金的组织特点，我们设计出全新的铜基高温合金，其耐温能力超过600C，且具有高温自润滑性质，已经为有关方面采用，有望为我国先进发动机产业做出贡献，目前正在承担相关重大项目。.3）展示了模型的普适性，为材料设计提供了全新路径：由于团簇模型只是近程序结构的简化描述，类分子结构单元的概念可以应用于任何材料，我们全面总结了团簇模型在固溶体（金属学报论文）、非晶（Int Mater Rev）、无机化合物（Inorg Chem）等各种材料上的应用，展示了其普适性和简易型，除了指出在传统合金和金属玻璃领域有重要价值之外，还延伸到了氧化物玻璃领域，解析了康宁、肖特等知名玻璃牌号，走出了一条自己的材料研发途径。.本项目共发表SCI检索论文23篇，铜基高温合金专利2项。