燕山大學(xué)《Acta Materialia》：多組元合金熱力學(xué)構(gòu)型熵研究新成果
2024-11-15 10:20:21
作者：材料科學(xué)與工程 來源：材料科學(xué)與工程
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近日，燕山大學(xué)亞穩(wěn)材料制備技術(shù)與科學(xué)國家重點實驗室先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料中心作為第一通訊單位，在Acta Materialia上發(fā)表了一篇題名為《Towards quantifying (meta-)stability of multi-principal element alloys: from configurational entropy to characteristic temperatures》的論文，針對多組元復(fù)雜合金體系的構(gòu)型熵開展了熱力學(xué)研究，提出了基于特征溫度參量的構(gòu)型熵有效表述形式，基于該表述探討了相穩(wěn)定性的作用機(jī)理，對熱力學(xué)熵理論發(fā)展以及多組元合金復(fù)雜體系的研發(fā)具有重要意義。論文的第一作者為青年教師張宴會，共同通訊作者為張宴會、王利民、劉日平和Stefano Sanvito（按作者排序列出）。
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2024.120415
在過去的幾十年中，多組元合金，尤其是非晶合金和高熵合金的研究進(jìn)展迅速，在航空、航天、航海、核能等領(lǐng)域，顯示了重要的應(yīng)用潛力。多組元合金由于體系復(fù)雜，常表現(xiàn)出混亂度高（高熵）、結(jié)構(gòu)可轉(zhuǎn)變、性能易變化等特征，導(dǎo)致難以預(yù)測這類復(fù)雜合金體系的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與性能演化規(guī)律。因此，如何深入理解其相結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，實現(xiàn)性能的“精準(zhǔn)調(diào)控”至關(guān)重要。鑒于多組元合金復(fù)雜體系具有顯著的“高熵”特征，從“熵”角度理解其結(jié)構(gòu)特征、相穩(wěn)定性和成分設(shè)計，是該領(lǐng)域研究的熱點課題。針對多組元合金體系的相結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，大家的共識是，構(gòu)型熵是決定其結(jié)構(gòu)和相穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。由于實驗和計算上均難以獲得準(zhǔn)確的構(gòu)型熵數(shù)值，傳統(tǒng)作法將構(gòu)型熵近似等價處理為混合熵。于是，長期以來，混合熵與合金組元數(shù)目之間的標(biāo)度性，被認(rèn)為是多組元合金穩(wěn)定性及其設(shè)計的金標(biāo)準(zhǔn)。然而，大量以往研究發(fā)現(xiàn)，這種近似處理對亞穩(wěn)結(jié)構(gòu)，尤其是它們在中低溫域的熱力學(xué)狀態(tài)描述存在較大偏差。同時，大量實驗研究也指出，許多高組元合金并不具有單相結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。尤其是，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不隨組元數(shù)目而單調(diào)變化（見圖1）。這是因為，傳統(tǒng)的混合熵框架中常忽略合金成分和原子相互作用的差異性對微觀結(jié)構(gòu)不均勻性及其相結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。因而，難以通過直接對比合金組元數(shù)目多少或者混合熵的大小，來確定不同成分合金穩(wěn)定性的高低。也就是說，隨組元數(shù)目單調(diào)變化的熵效應(yīng)描述，存在明顯的局限性。
圖1合金固溶體的想結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不隨合金組元數(shù)目而單調(diào)變化為解決上述難題，本項工作回歸到構(gòu)型熵隨溫度的變化規(guī)律，來探討復(fù)雜合金體系的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。從構(gòu)型熵的有效表達(dá)入手，基于構(gòu)型熵特征與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性之間的對應(yīng)性，對熵效應(yīng)進(jìn)行歸一化處理，提出了新的特征溫度參數(shù)（Tho和Tin）和新的高熵效應(yīng)判據(jù)(Td0=ln(Tho/Tin)>1)，作為多組元復(fù)雜體系熱力學(xué)描述的新抓手。Td0作為無量綱參量，解決了熱力學(xué)能量參量作為強(qiáng)度量，在描述相結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性時的技術(shù)困難，使得不同材料體系之間的對比更加便捷。并且，借助于新參量Td0可以巧妙地重新劃分高熵、中熵和低熵（傳統(tǒng)）材料，從總體上揭示了多組元合金亞穩(wěn)態(tài)的熱力學(xué)起源，最終有助于設(shè)計和開發(fā)新型高性能復(fù)雜合金材料。具體來講，本項工作通過結(jié)合第一性原理計算、機(jī)器學(xué)習(xí)、集團(tuán)展開和蒙特卡洛等模擬技術(shù)，有效克服了構(gòu)型搜索難收斂和構(gòu)型熵計算的難題。在此基礎(chǔ)上，通過高效率地統(tǒng)計分析上億個合金固溶體結(jié)構(gòu)的能量數(shù)據(jù)，從這些龐大且雜亂無章的結(jié)構(gòu)和能量空間中發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差的成分體系的構(gòu)型熵會較晚達(dá)到閾值Q0并較早收斂到平臺值。進(jìn)一步地深入分析表明，過飽和固溶體的相結(jié)構(gòu)失穩(wěn)現(xiàn)象與這種共性變化特征密切相關(guān)。為了有效描述二者之間的關(guān)聯(lián)性，本項工作提出了兩個特征溫度參數(shù)Tho和Tin，它們分別由構(gòu)型熵變化達(dá)到平臺值和達(dá)到閾值Q0的臨界溫度定義（見圖2）。
圖2 多組元合金復(fù)雜體系的新參量和新判據(jù)：特征溫度參數(shù)（Tho和Tin）和高熵效應(yīng)判據(jù)(Td0=ln(Tho/Tin)>1)大家知道，非晶態(tài)材料研究的半個多世紀(jì)以來，很早便采用了特征溫度來評估非晶態(tài)的熱穩(wěn)定性和玻璃形成能力，進(jìn)而幫助有效理解了非晶形成及其穩(wěn)定性的問題。盡管非晶合金和高熵合金之間存在諸多相似之處，但據(jù)了解，從未對多組元合金開展過類似的研究工作。本項工作創(chuàng)新性地提出了描述構(gòu)型熵變化特征的特征溫度參量（Tho和Tin）和無量綱Td0判據(jù)，使得多組元復(fù)雜合金體系有了新的研究工具和新的分類方法，使大量相互矛盾的實驗結(jié)果更加合理化，并有望將多組元合金復(fù)雜體系的熱力學(xué)和動力學(xué)研究聯(lián)系起來。綜上所述，這項工作為多組元合金成分和結(jié)構(gòu)異質(zhì)性的定制和設(shè)計，提供了新的理論指導(dǎo)和新方案，對于新型多組元合金的工程設(shè)計至關(guān)重要，從而有利于其在航空航天、核能和能源等領(lǐng)域獲得更好的開發(fā)和應(yīng)用。
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