Acta Materialia: 高熵合金固溶体中的化学短程序与晶格畸变效应

引言：

传统的合金设计理念往往选取一到两种元素作为主要合金元素，并且通过其他微量元素的添加来改善合金的特定性能来满足各种工业应用需求。近年来，一种新型的高熵合金设计理念打破了固有思维，成为金属材料领域的研究热点，一系列具有优异性能的高熵合金被陆续开发出来。在早期的高熵合金研究中，研究人员通常认为高熵合金所具有的较高的构型熵有助于稳定单相固溶体结构，其组成原子被认为是完全无序的分布在晶体点阵结构中。然而，由于高熵合金成分的复杂性，其成分原子之间的化学相互作用、原子尺寸差异和弹性模量差异往往会造成原子之间的短程有序分布。最近的研究结果表明，化学短程有序广泛存在于高熵合金体系之中，并且对高熵合金的力学性能和结构稳定性具有重要影响。然而，关于高熵合金中的化学短程序的来源和演化规律这一根本问题仍然没有得到很好的理解。

成果简介：

近日，香港城市大学杨勇教授课题组联合台湾中央研究院包淳伟教授课题组等多家研究机构，构建了自洽的热力学模型定量描述高熵合金中的化学短程序的演化规律并且利用一系列实验与模拟手段对CoCrFeNi这一模型体系的化学短程序与晶格畸变效应进行了分析，相关研究成果以“Understanding Chemical Short-Range Ordering/Demixing Coupled with Lattice Distortion in Solid Solution High Entropy Alloys” 发表在Acta Materialia上。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117140

本研究从固溶体热力学模型出发，对于n组元合金体系定义了n(n-1)/2个独立的有序参量来精确描述固溶体内部的化学有序结构。通过吉布斯自由能最小化得到化学有序参量和构型熵在不同的固溶体体系中随温度的演化规律。通过理论模型的分析，高熵合金中的无序固溶体假设只在高温区有效。随着温度的降低，固溶体合金中的不同原子对之间的化学有序(ordering)与分离(demixing)会愈加明显，其构型熵也会显著降低。通过与相关模拟结果比较，该理论模型能够预测不同固溶体合金体系中的构型熵随温度的变化规律，对理解固溶体合金体系的相稳定具有重要意义。研究人员进一步选取CoCrFeNi作为模型体系，利用高能X射线衍射，密度泛函理论(Density functional theory)，逆蒙特卡洛模拟(Reverse Monte Carlo simulation)等手段对该模型体系的化学短程序和晶格畸变效应进行了分析，并且与理论模型进行了比较。

图文导读：

图1. 不同有序程度下的二元固溶体体系中原子结构示意图（a）完全无序状态，（b）完全有序状态，（c）完全分离状态。（d）二元合金体系中不同有序状态下的构型熵。

图2. 不同固溶体合金体系中有序参量随温度的演化关系（a）CoCrFeNi合金体系，（b）MoNbTaW合金体系，（c）CoOsReRu合金体系。（d）理论预测的构型熵与模拟结果的对比。

图3. 模型体系CoCrFeNi的逆蒙特卡洛模拟结果。

图4. 模型体系CoCrFeNi中的原子团簇分析。

总结：

在该项工作中，研究人员构建了自洽的热力学模型用以定量描述多组元合金体系中的化学短程有序程度，并且该模型可以定量计算不同温度下合金体系的构型熵，对于理解高熵合金中的相稳定性具有很强的指导意义。研究人员采用逆蒙特卡洛模拟针对CoCrFeNi合金体系中的晶格畸变和化学短程序行为进行了定量研究与分析。该项工作的研究方法与结果，对于揭示理解高熵合金的化学短程有序具有重要的意义。

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