燕山大學《Acta Materialia》：多組元合金熱力學構型熵研究新成果
2024-11-15 10:20:21
作者：材料科學與工程 來源：材料科學與工程
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近日，燕山大學亞穩材料制備技術與科學國家重點實驗室先進結構材料中心作為第一通訊單位，在Acta Materialia上發表了一篇題名為《Towards quantifying (meta-)stability of multi-principal element alloys: from configurational entropy to characteristic temperatures》的論文，針對多組元復雜合金體系的構型熵開展了熱力學研究，提出了基于特征溫度參量的構型熵有效表述形式，基于該表述探討了相穩定性的作用機理，對熱力學熵理論發展以及多組元合金復雜體系的研發具有重要意義。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展迅速，在航空、航天、航海、核能等領域，顯示了重要的應用潛力。多組元合金由于體系復雜，常表現出混亂度高（高熵）、結構可轉變、性能易變化等特征，導致難以預測這類復雜合金體系的結構穩定性與性能演化規律。因此，如何深入理解其相結構穩定性，實現性能的“精準調控”至關重要。鑒于多組元合金復雜體系具有顯著的“高熵”特征，從“熵”角度理解其結構特征、相穩定性和成分設計，是該領域研究的熱點課題。針對多組元合金體系的相結構穩定性，大家的共識是，構型熵是決定其結構和相穩定性的關鍵因素。由于實驗和計算上均難以獲得準確的構型熵數值，傳統作法將構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目之間的標度性，被認為是多組元合金穩定性及其設計的金標準。然而，大量以往研究發現，這種近似處理對亞穩結構，尤其是它們在中低溫域的熱力學狀態描述存在較大偏差。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構穩定性。尤其是，結構穩定性不隨組元數目而單調變化（見圖1）。這是因為，傳統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構不均勻性及其相結構穩定性的影響。因而，難以通過直接對比合金組元數目多少或者混合熵的大小，來確定不同成分合金穩定性的高低。也就是說，隨組元數目單調變化的熵效應描述，存在明顯的局限性。
圖1合金固溶體的想結構穩定性不隨合金組元數目而單調變化為解決上述難題，本項工作回歸到構型熵隨溫度的變化規律，來探討復雜合金體系的結構穩定性。從構型熵的有效表達入手，基于構型熵特征與結構穩定性之間的對應性，對熵效應進行歸一化處理，提出了新的特征溫度參數（Tho和Tin）和新的高熵效應判據(Td0=ln(Tho/Tin)>1)，作為多組元復雜體系熱力學描述的新抓手。Td0作為無量綱參量，解決了熱力學能量參量作為強度量，在描述相結構穩定性時的技術困難，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）材料，從總體上揭示了多組元合金亞穩態的熱力學起源，最終有助于設計和開發新型高性能復雜合金材料。具體來講，本項工作通過結合第一性原理計算、機器學習、集團展開和蒙特卡洛等模擬技術，有效克服了構型搜索難收斂和構型熵計算的難題。在此基礎上，通過高效率地統計分析上億個合金固溶體結構的能量數據，從這些龐大且雜亂無章的結構和能量空間中發現，結構穩定性較差的成分體系的構型熵會較晚達到閾值Q0并較早收斂到平臺值。進一步地深入分析表明，過飽和固溶體的相結構失穩現象與這種共性變化特征密切相關。為了有效描述二者之間的關聯性，本項工作提出了兩個特征溫度參數Tho和Tin，它們分別由構型熵變化達到平臺值和達到閾值Q0的臨界溫度定義（見圖2）。
圖2 多組元合金復雜體系的新參量和新判據：特征溫度參數（Tho和Tin）和高熵效應判據(Td0=ln(Tho/Tin)>1)大家知道，非晶態材料研究的半個多世紀以來，很早便采用了特征溫度來評估非晶態的熱穩定性和玻璃形成能力，進而幫助有效理解了非晶形成及其穩定性的問題。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。本項工作創新性地提出了描述構型熵變化特征的特征溫度參量（Tho和Tin）和無量綱Td0判據，使得多組元復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果更加合理化，并有望將多組元合金復雜體系的熱力學和動力學研究聯系起來。綜上所述，這項工作為多組元合金成分和結構異質性的定制和設計，提供了新的理論指導和新方案，對于新型多組元合金的工程設計至關重要，從而有利于其在航空航天、核能和能源等領域獲得更好的開發和應用。
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