[發明專利]高強韌高熵合金的設計方法

有效

• 申請號: 202011252236.6
• 申請日: 2020-11-11
• 公開（公告）號: CN112542217B
• 公開（公告）日: 2022-08-09
• 發明（設計）人: 劉偉;楊飄;丁志剛;孫昊;孫浩然;趙廣軒
• 申請（專利權）人: 南京理工大學
• 主分類號: G16C60/00
• 分類號: G16C60/00;G16C20/30
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 劉海霞

本發明公開了一種高強韌高熵合金的設計方法。所述方法包括：(1)構建四元等原子比面心立方結構的高熵合金的特殊準無序固溶體結構；(2)在不同體積下進行結構優化，得到平衡體積和平衡能量，并對平衡體積下的晶體的不同晶向施加彈性范圍內的應變，計算應變下晶體的能量；(3)計算高熵合金的晶格常數、體積模量和單晶彈性常數，進一步得到柏氏矢量、切變模量、楊氏模量、泊松比；(4)基于上述性質，計算一系列高熵合金的屈服強度、塑性相關的Pugh比、硬度、斷裂韌性等力學性能。本發明通過計算一系列高熵合金的力學性能，預測高熵合金的強度和韌性，具有準確率高、計算效率高、適用范圍廣等優點。

技術領域

本發明屬于高熵合金領域，涉及一種高強韌高熵合金的設計方法。

背景技術

高熵合金獨特的合金設計理念和顯著的四大核心效應（包括熱力學上的高熵效應、結構上的晶格畸變效應、動力學上的緩慢擴散效應、性能上的“雞尾酒”效應），不僅有望突破傳統金屬結構材料強度-塑性難以兼顧的桎梏，還具有良好的熱穩定性、抗輻照性能、高硬度、斷裂韌性大、抗氧化、耐磨耐腐蝕性能等優點，具有巨大的應用潛力，有望用于高溫合金、硬質合金、耐熱和耐磨涂層等領域。

目前高熵合金領域的研究主要集中在實驗手段上，基于已有的高熵合金成分，改變主元元素的濃度或替換合金元素，來制備新型高熵合金。然而，由于組元多和濃度變化范圍大，高熵合金具有巨大的成分調控空間。并且實驗上制備高熵合金依然比較困難，成品率低，難以大規模制備。通過傳統合金研究的“試錯法”難以全面綜合地研究高熵合金的成分和性能，因而借助第一性原理工具來輔助實驗手段進行高熵合金的成分設計和性能預測是很有必要的。

文獻[npj Computational Materials 5, 14(2019)]基于經典的固溶強化模型，不依賴于任何經驗參數和實驗參數，可以用于預測高熵合金的屈服強度。利用密度泛函理論（DFT）計算出模型所需要的材料基本性質，然后通過固溶強化理論模型準確地預測出任意合金（包括高熵合金）的屈服強度。DFT計算的物理量包括隨機合金中各元素的平均錯配體積、合金晶格常數、彈性常數。該方法預測的六元貴金屬高熵合金RhIrPdPtNiCu的屈服強度583 MPa與實驗測得的強度527 MPa相當接近。這種在沒有任何實驗輸入的情況下，所建立的合金成分與屈服強度之間的定量聯系，可以用于探索新的、有潛力的、高強度高熵合金，并為高強度合金的“計算指導設計”提供了重要途徑。然而，僅僅通過屈服強度不足以說明高熵合金的綜合力學性能，高熵合金的塑性、硬度、斷裂韌性都非常重要，因此當前用于預測高熵合金的力學性能的技術手段存在一定的局限性。

發明內容

本發明的目的在于提供一種高強韌高熵合金的設計方法。該方法以第一性原理為研究方法，結合材料力學和固溶強化理論，計算四元等原子比高熵合金的結構和彈性性質，并預測高熵合金包括強度、塑性、硬度、韌性的綜合力學性能，進一步地設計具有高強度和高韌性的面心立方結構高熵合金。

實現本發明目的的技術方案如下：

高強韌高熵合金的設計方法，包括以下步驟：

（1）根據Materials project數據庫，基于簡單的面心立方結構(FCC)的周期性和原子坐標，從ATAT軟件中構建2×2×2 FCC高熵合金的特殊的準無序結構模型（SQS），通過等比例置換合金元素，得到不同元素組合的四元合金模型，根據高熵合金經典描述符，包括熱力學與結構性質，判斷四元合金能否形成穩定的單相FCC固溶體；了解元素的晶體結構和基本性質，并根據高熵合金經典描述符，判斷四元合金能否形成穩定的單相FCC固溶體；

（2）對于能夠形成穩定的單相FCC固溶體的四元合金，改變其高熵合金模型的晶格常數，用VASP軟件計算一系列晶格常數下對應的基態能量，用BM狀態方程對不同晶格常數下模型的體積-能量關系進行擬合，得到高熵合金的平衡晶格常數a、平衡體積V、平衡能量以及體積模量B；