高熵合金中有序相的形成与稳定性的分析

Due to the outstanding high mechanical strength, hardness, excellent corrosion and wear resistance and unique electromagnetic properties, high entropy alloys, comparing with traditional alloys, have become one class of the emerging structural materials with great development potential. Based on the theory of high entropy, several principal components in alloy have a likely chance to occupy the same atomic position freely. Hence, there is the formation of disordered solid solutions with A1 or A2 structure in high entropy alloys. However, experimental studies revealed that a compound based solution may also form, resulting in the formation of the unique “spinodal structure” in high entropy alloys. In order to explain the process of phase transition in high entropy alloys in theory, the influence of different elements and content on formation of ordered phase, the thermodynamic conditions of the formation of ordered phase and the influence of different elements on the stability of ordered phase are investigated by the calculated methods. Finally a new high entropy alloy system with ordered phase is obtained by preparation and characterization. According to the investigation on the formation and stability of ordered phase in high entropy alloys from theory and experiment, the design and control of special structure are reached in high entropy alloys.

高熵合金由于具有一般传统合金所不能比拟的高硬度、强度、优异的耐蚀耐磨性、抗高温软化以及独特的电磁性等综合性能，使其成为具有巨大发展潜力的新型合金体系。根据高熵效应理论，合金中高的混乱度使元素占据的晶格点阵具有随机性，高熵合金在冷却过程中通常形成无序固溶体，但实验研究表明在高熵合金中有可能形成有序相从而使合金形成无序和有序固溶体相混合的特殊“调幅结构”。针对高熵合金中有序相的形成和稳定性的问题，为了从理论上对实验中难以表征的高熵合金中相变过程进行解释，采用理论方法研究不同元素和含量对高熵合金有序相形成的影响、高熵合金有序相形成所需满足的热力学条件以及不同元素对高熵合金中有序相稳定性的影响，最终理论结合实际设计制备一种将会形成有序相的新型高熵合金体系，从理论和实验上揭示高熵合金中有序相的形成条件与稳定性来源，从而实现高熵合金特殊组织的设计和控制。

根据高熵效应理论，高熵合金中高的混乱度使元素占据的晶格点阵具有随机性，合金在冷却过程中通常形成无序固溶体，但实验研究表明在高熵合金中有可能形成有序相从而使合金形成无序和有序固溶体相混合的特殊“调幅结构”。针对高熵合金中有序相的形成和稳定性的问题，本项目采用理论方法研究不同元素和含量对高熵合金有序相形成的影响、高熵合金有序相形成所需满足的热力学条件以及不同元素对高熵合金中有序相稳定性的影响，最终理论结合实际设计制备一种将会形成有序相的新型高熵合金体系，从理论和实验上揭示高熵合金中有序相的形成条件与稳定性来源。. 项目研究结果表明，当高熔点的合金元素添加时，高熵合金一般形成无序单相合金，而易形成有序相的合金元素为Al、Co、Cr、Fe和V元素，且元素含量一般为0.5~2 at.%之间；热力学计算结果表明高熵合金中有序相的形成更多的依赖于初始形成相的尺寸，当尺寸为纳米等级时，易形成有序相；而当尺寸逐渐增大时，形成相只能是表征出一定的短程有序特征，长程表现出无序特征；第一性原理计算表明高熵合金中的存在离子和共价键，这些键和作用也是合金结构稳定性的主要来源；在高熵合金中若想要发生A2到B2结构的相变反应，其B2相的含量必须要达到一个临界值；根据理论分析获得的能形成有序相的合金范围、热力学条件和稳定性来源，设计了AlCrCFeNiTi系合金，实验表明合金形成了无序和有序固溶体相混合，很好地实现了高熵合金特殊组织的设计和控制。. 项目引入了能表征出形成有序相高熵合金的有效结构参数，从固溶体结构特征和热力学角度上揭示高熵合金中有序相形成所满足的条件，并在电子层次上确定该有序相的稳定性来源，最终结合高熵合金中有序相形成和结构稳定性的理论分析结果，实现了高熵合金特殊组织的设计和控制。基于项目研究成果，提供了一种设计特定组织结构高熵合金的有效方法，并最终开发了一种适用于航空发动机压气机叶片材料的新型有序+无序高熵合金。