Acta Mater：第一性原理揭示Al掺杂CrMnFeCoNi高熵合金的相选择规律

【引言】

自高熵合金的概念提出后，研究人员根据高熵理论开发出了众多高熵合金体系。相比于传统合金，高熵合金具有优异且可调节的性能，有望运用于很多领域。其中，典型的高熵合金CrMnFeCoNi以其优异的抗拉强度、低温断裂韧性和较高的室温临界分切应力等优势得到了广泛的关注。然而，目前对CrMnFeCoNi基高熵合金的相稳定性、机械性能和磁性能的理论研究非常有限。

【成果简介】

日前，西安交通大学副教授张华磊（通讯作者）在Acta Materialia上发表了一篇名为Phase selection rule for Al-doped CrMnFeCoNi high-entropy alloys from firstprinciples的文章。研究人员采用第一性原理的方法，研究了双相（fcc与bcc）顺磁Al_xCrMnFeCoNi (0 ≤ x ≤ 5)高熵合金的相稳定性和磁性能。研究表明，合金的晶格常数随x的增加而稳定增大，Al元素的加入降低了fcc结构的稳定性，晶体结构逐渐从fcc转变为bcc。bcc结构的磁性转变温度随x的增加而急剧降低，而fcc结构的磁性转变温度对成分不太敏感。和Al_xCrFeCoNi相比，添加等原子比的Mn元素会减小fcc相的稳定区间同时在一定程度上抑制bcc相的出现，因此有利于3d族金属基高熵合金双相区的形成。

【图文导读】

图1：平衡Wigner-Seitz半径以及两相结构能差与Al含量的关系

图片上半部分表示理论和实验的平衡Wigner-Seitz半径(w, in Bohr)与Al含量的关系；图片下半部分表示AlxCrMnFeCoNi中顺磁bcc和fcc的结构能之差。

由图可知，晶胞尺寸的理论值与实验值基本一致。

图2：bcc和fcc在0K时的理论局域磁矩与Al含量的关系

实心点连线表示bcc的理论局域磁矩；空心点连线表示fcc的理论局域磁矩。

图3：bcc和fcc的理论居里温度与Al含量的关系

图为bcc（红色线）与fcc（蓝色线）的理论居里温度值；从图中可以看出，bcc相的居里温度明显高于fcc相，且bcc的理论居里温度值对Al元素含量的变化比较敏感。

图4：不同温度下bcc与fcc的吉布斯自由能与Al含量和价电子浓度(VEC)的关系

从图中可以看出，价电子浓度（Al含量）会影响fcc/bcc相的稳定性。例如，温度为300 K时，VEC > 7.56会优先形成单一的fcc相，VEC < 6.93会优先形成bcc相。VEC值在中间时则会形成两相共存态。

图5：不同温度下bcc与fcc理论相界与实验结果的对比

此图揭示了高熵合金从五元体系过渡到六元体系时，Mn元素的影响并且验证了相选择原理的合理性。

图6 AlxCrMnFeCoNi合金总能量与四方晶格常数(c/a)和Wigner-Seitz半径 (ω in Bohr)的关系

x＞1.0时，bcc成为稳定相，其机械稳定性在x=2.14时达到峰值，随后随x的增加而下降。

【小结】

采用第一性原理研究AlxCrMnFeCoNi高熵合金的相稳定性和磁性能与Al含量的关系。同时，揭示了等原子比的Mn元素对Al_xCrFeCoNi合金体系相稳定性的影响，用价电子浓度较好地预测了相稳定性。结果证明了第一性原理理论对于研究顺磁高熵合金相稳定性的能力，并对基于价电子浓度理论的相选择原理提供了理论支持。

文献链接：Phase selection rule for Al-doped CrMnFeCoNi high-entropy alloys from first-principles (Acta Mater, 2017, DOI: 10.1016/j.actamat.2017.08.045)

本文由材料人编辑部郭勇编译，万鑫浩审核，点我加入材料人编辑部。

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