[發明專利]一種間隙原子在高熵合金中的擴散行為的計算方法

有效

• 申請號: 202110016984.2
• 申請日: 2021-01-07
• 公開（公告）號: CN112836344B
• 公開（公告）日: 2022-08-16
• 發明（設計）人: 吳波;趙艷;楊開煥;劉揚;劉漣;何智漢;白雪
• 申請（專利權）人: 福州大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G16C10/00;G16C60/00;G06F119/08;G06F119/14
• 代理公司: 福州元創專利商標代理有限公司 35100
• 代理人: 陳明鑫;蔡學俊

本發明涉及一種間隙原子在高熵合金中的擴散行為的計算方法。包括：定量化計算出合金元素在亞晶格上的占位傾向性，建立原子占位有序化晶胞模型；對晶胞模型先進行體積優化和后進行原子位置優化；通過比較間隙原子占據八面體或四面體間隙位置時體系的總能，根據能量最低原理，總能越低則結構越穩定，確定間隙原子占據的穩定態位置；設計擴散路徑，讓原子沿指定方向進行擴散；確定擴散路徑后，使用NEB方法在兩個相鄰間隙撒點計算；計算原子在高熵合金間隙中的擴散行為，獲得不同擴散路徑上的擴散能壘、擴散系數等參數。本發明普適性強，為定量化研究高熵合金間隙固溶原子擴散是否存在遲滯擴散效應，及高熵合金性能計算奠定了堅實的基礎。

技術領域

本發明屬于間隙原子在金屬材料中擴散的計算領域，具體涉及一種間隙原子在高熵合金中的擴散行為的計算方法。

背景技術

金屬材料與人類社會發展密切相關，大多數合金系統都是以一種金屬元素為主,添加不同合金元素而產生不同的合金,例如以Al為主的鋁合金,以Fe為主的鋼鐵材料，以Ti為主的鈦合金等。與傳統的合金設計概念不同，高熵合金并非僅基于一個或兩個元素，而是包含至少五個相等或近似相等原子百分比的主要元素，溶質和溶劑之間沒有明顯差異。一些高熵合金由于其高強度，抗疲勞，抗斷裂性，熱穩定性，高延伸率，抗輻照性等優異性能，在許多領域的開發和應用上都扮演了重要角色。目前已成功應用于冶金材料，催化劑，磁材料和核材料等。高熵合金中組成元素種類和含量的多樣性，其合金化過程機理復雜，關于“合金成分—工藝—結構—性能”四要素之間的內在聯系尚未有精確的理解和掌握。材料科學界，認為高熵合金具有四大效應，即熱力學上的高熵效應，結構上的晶格畸變效應，動力學上的遲滯擴散效應，性能上的雞尾酒效應，這些效應決定了高熵合金的結構與性能之間的內在聯系，但也引來廣泛爭議，大部分文獻均為“炒菜式”的開發研究，機理研究報道極少。引起的爭議的主要原因是臆測較多，缺乏定量化描述。

固體中的擴散是物理冶金和材料科學的一個重要課題。擴散過程在金屬、合金、陶瓷、半導體、玻璃和聚合物加工過程中發生的許多微觀結構變化的動力學過程中起著關鍵作用。典型的例子有新相的形核、擴散相變、第二相的沉淀和溶解、再結晶、高溫蠕變和熱氧化。直接的技術應用包括微電子器件制造過程中的擴散摻雜、電池和燃料電池用固體電解質、鋼的滲碳或氮化表面硬化、擴散連接和燒結。研究固體中的擴散對于理解材料的性質，如加工和操作中的相變、偏析和腐蝕具有重要意義?？煽康臄U散數據對高熵合金材料的成分和制造工藝的設計至關重要。

關于高熵合金中原子在亞晶格上的占位有序化行為，考慮到組成高熵合金的各種組成原子的大小、電子結構、晶體結構，以及不同原子之間的結合能各不相同，有的甚至存在顯著差異。因此，不同種類的原子不可能在晶格上呈現理想混合，必然存在一定的占位傾向性，即有的原子傾向于占據一種亞晶格，而有的原子傾向于占據另一種亞晶格，即所謂的占位有序化行為。從統計意義進行定量化描述，占位有序化行為用占位分數(也稱為占位概率)來表達。通過占位分數的計算，不僅可以定量化描述不同種類原子在不同亞晶格上的占位傾向性，還可以進一步計算高熵合金體系的構型熵，即知道所謂的高熵效應的熵實際上有多“高”，改進以往文獻中采用理想混合來計算高熵效應的不足之處。目前高熵合金中的擴散研究多采用實驗方法進行研究，有實驗結果表明CoCrFeMnNi合金的擴散系數確實低于傳統面心立方金屬中的擴散系數。相應地，高熵合金的活化能高于參考金屬中的活化能。但是針對間隙原子在高熵合金中的擴散，由于實驗條件復雜，使得許多學者望而生畏。目前還沒有通過理論計算來定量化描述間隙原子在高熵合金中的擴散，特別是H、O、C、N等原子在金屬中的擴散，是目前研究的熱潮，對金屬材料的抗氧化性、耐腐蝕性、儲氫等性能研究奠定良好的基礎。高熵合金作為新發展的高性能金屬材料，研究間隙原子在高熵合金晶格中的擴散，為探索高熵合金的更多應用潛能提供了優良契機。

發明內容

本發明的目的在于提供一種間隙原子在高熵合金中的擴散行為的計算方法，該方法節約研究成本、提高研究效率，為進一步定量化研究高熵合金的其他效應提供新思路，從而加速高熵合金新材料的研究開發。