高熵合金形成的热力学原理和成分设计新方法探索

多主元高熵合金概念的提出，在合金设计中具有划时代的意义，极大地拓展了金属材料的领地。然而目前为炒菜式地零星研发，缺乏有效的成分设计理论作指导。项目拟从合金热力学角度，探索高熵合金形成的热力学原理和成分设计新方法。基于严格的晶体学结构信息，考虑到元素占位存在或多或少的有序化这一事实，采用热力学亚点阵模型，结合第一性原理计算，形成包含50余种常用金属元素，30余种常见合金相的端基化合物的热力学数据库；根据有序化理论和相平衡原理，计算任意多主元合金的相组成，占位分数和热力学函数；根据生成Gibbs自由能和混合熵值大小，筛选出可能的高熵合金成分；进一步运用第一性原理方法预测合金的物理和力学性质，推荐出具有优异性能的成分组合，并辅佐以关键实验来验证其相结构和物理、力学性能。最终为高熵合金的成分和结构设计，以及性能预测提供一套完整的解决方案，集成开发出相应的软件和数据库，加速开发这一材料宝藏。

多主元高熵合金是合金组成元素的含量中，大部分元素含量倾向于平均化设计，其结构倾向于简单化，并可望具有一种或多种独特力学、物理和化学性能。多主元高熵合金概念的提出，在合金设计中具有划时代的意义，极大地拓展了金属材料的成分选择范围。近20年来，这类新型合金研究活跃，但基本上属于炒菜式地零星研发，缺乏有效的成分设计理论作指导，甚至一些所谓的“多主元-高熵-高性能”理论逻辑受到越来越多的质疑和否定，尤其是其相对较高的原材料成本更是这类材料进一步深入研究开发的“软肋”。本项目考虑到元素占位存在或多或少的有序化这一事实，从原子占位有序-无序转变的角度，探索高熵合金形成的热力学原理。通过对决定多主元合金体系的相结构和相稳定性最重要的热力学函数—Gibbs自由能进行建模研究，定量地给出一定多主元合金体系的平衡相结构，即对合金元素在各相中不同亚点阵上的占位有序−无序等精细结构进行考虑，定量给出体系的构型熵，即明确计算出一定多主元体系的熵实际能“高”到什么程度；进一步考虑在这种程度下，合金的物理力学性能表现又将如何，从而提出成分设计的新准则和新方法。本项目基于严格的晶体学结构信息，采用热力学亚点阵模型，结合第一性原理计算，建立了一个包含50余种常用金属元素，30余种常见合金相的端基化合物的热力学数据库；根据有序化理论和相平衡原理，计算任意多主元合金的相组成，占位分数和热力学函数；根据生成Gibbs自由能和混合熵值大小，筛选出可能的高熵合金成分；进一步基于元素在各个亚点阵上的占位率（占位分数）进行合金相微结构建模，运用第一性原理方法预测合金的物理和力学性质，推荐出具有优异性能的成分组合，并辅佐以关键实验验证，制备了部分具有代表性的多主元高熵合金块体和涂层材料，测试了其精细微结构、力学性质、抗腐蚀性能和抗氧化性能。，最终为高熵合金的成分和结构设计，以及性能预测提供了一套较为完整的解决方案，集成开发出相应的软件和数据库，加速了这一材料宝藏的开发。圆满完成本项目计划任务，并对性能预测方法进行了拓展性探索。重要的研究成果是弄清了AlCrCoFeNi高熵合金的精细微结构，其具有较为优异的综合性能，具有潜在的应用开发价值，但其成本较高，进一步探索了降低合金成本的有效途径，通过增加低成本Fe的含量，设计和制备出了AlCrCoFe1.5Ni和AlCrCoFe2Ni耐蚀高熵合金。