金属间化合物中合金元素的占位有序化行为研究

金属间化合物中合金元素在各个亚晶格上的占位有序化行为，将显著影响合金的物理和力学性质。拟建立一种简洁和普适化的有序-无序转变理论模型和计算方法。采用亚晶格模型，运用第一性原理、原子团簇变分法计算基态和激发态性质、有限温度下的构型熵和振动熵，求解出占位分数，以及占位随成分和温度变化而发生有序-无序转变的定量关系。由于计算产出大，成本低，拟对一系列具有代表性的合金进行预测，如Ti2AlNb基高温结构材料，过渡金属取代B2_BCC结构的NiAl合金，以及添加系列稳定元素M的具有TbCu7结构的高温稀土永磁材料Sm(Co,M)7。对于实验信息短缺，而又具有争议的Ti2AlNb基B2相和O相合金，运用中子衍射等关键实验进行测试。通过对照，进一步完善金属间化合物占位有序化行为的理论模型和计算方法，为金属间化合物这一"富矿"的研究开发提供一个简洁和普适化的理论工具。

本项目建立了一种简洁和普适化的有序-无序转变理论模型和计算方法。基于严格的晶体学信息，建立亚晶格模型，运用第一性原理、原子团簇变分法计算基态总能，生成焓和激发态的热力学性质、有限温度下的构型熵和振动熵，建立出研究体系所有端基化合物的热力学函数库，进而求解出合金元素在不同亚晶格上的占位分数，以及占位有序-无序转变行为随成分和温度而变化的定量关系。. 为了满足计算模拟的准确度和效率要求，本项目编写了海量端基化合物计算模拟任务的自动化全套程序，实现任务生成、提交、结果提取和结果检查功能。本项目研究了10余种常见合金相的多元合金化过程中的有序化行为，其结构具有代表性，相应合金可能具有优越的性能和广阔的应用前景。本项目研究了热力学函数的不同表达模式对有序化行为描述的有效性，结果表明：亚晶格模型和第一性原理计算相结合，数据库中，用基态下由室温稳定元素形成端基化合物的生成焓，来近似表征端基化合物的生成吉布斯自由能，进一步求解合金化过程的Gibbs自由能热力学函数值，可以预测各种结构、各种形式的有序-无序转变模式，可靠性较高。建立了格式化的海量端基化合物热力学数据库，应用于金属间化合物的点阵稳定性，占位有序化行为研究。进一步考虑温度对端基生成焓、热熔、声子谱和振动熵，团簇，短程有序研究，可望进一步提高占位有序化预测的准确性。. 对于实验信息短缺，而又具有争议的Ti2AlNb基B2相和O相合金，NiCr、AlCuMn2，Ti3Co等合金相的精细结构，运用中子衍射等关键实验进行测试。本研究项目为金属间化合物这一“富矿”的研究开发提供一个简洁和普适化的理论工具。. 与计划任务相比，本项目拓展了研究深度和广度。基于结构稳定性研究结果，进一步预测了合金相的物理、力学性质，尤其是创新性地利用逆向思维“有序的反面就是无序，而无序就对应于高熵”，从而将该普适化的有序-无序转变理论和方法，应用于新近发展起来的多主元高熵合金的物相、热力学表征。同时，占位有序化理论和方法在无机晶体材料的掺杂结构研究中亦得到应用。