AlCrFeNiTi高熵合金結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的探索

農(nóng)智升，李宏宇，朱景川

(1.沈陽航空航天大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽 110136；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱 150001)

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AlCrFeNiTi高熵合金結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的探索

農(nóng)智升1，李宏宇1，朱景川2

(1.沈陽航空航天大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽 110136；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱 150001)

為了探索高熵合金相結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，將二元合金Sutton-Chen多體勢擴(kuò)展到適用于Al-Cr-Fe-Ni-Ti系多元合金的相互作用勢，并用于研究AlCrFeNiTi五元系高熵合金在不同溫度下的原子遷移能力以及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。最后通過實(shí)驗(yàn)分析了鑄態(tài)AlCrFeNiTi高熵合金的相組成，并與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比。結(jié)果表明：體心結(jié)構(gòu)的AlCrFeNiTi高熵合金結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性比面心結(jié)構(gòu)的高，體心結(jié)構(gòu)將優(yōu)先于面心結(jié)構(gòu)在合金中形成。實(shí)驗(yàn)制備的鑄態(tài)AlCrFeNiTi高熵合金為簡單體心結(jié)構(gòu)，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。

AlCrFeNiTi高熵合金；結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；相互作用勢

作為突破傳統(tǒng)合金設(shè)計(jì)理念的新型合金——高熵合金，由5種或5種以上主要組元以等原子比或近似等原子比的配比組成，并具有傳統(tǒng)合金所不能比擬的高強(qiáng)度、高硬度、耐磨、耐腐蝕和抗氧化、軟化等綜合性能[1-3]。多主元混合所產(chǎn)生的高熵效應(yīng)使合金傾向于形成簡單的固溶結(jié)構(gòu)(以簡單面心立方和體心立方結(jié)構(gòu)為主)[4-5]，而并未形成過多的金屬間化合物[6]。除了熱力學(xué)上的高熵效應(yīng)之外，動(dòng)力學(xué)上的緩慢擴(kuò)散效應(yīng)，晶體結(jié)構(gòu)上的劇烈晶格畸變以及性能上的“雞尾酒效應(yīng)”是高熵合金具有簡單結(jié)構(gòu)及優(yōu)良綜合性能的主要原因[7-9]。目前，對于高熵合金固溶結(jié)構(gòu)的形成主要通過計(jì)算高熵合金的固溶體物理參數(shù)(如原子尺寸差異、混合焓、電負(fù)性差異和價(jià)電子濃度等)統(tǒng)計(jì)得到固溶體形成的定性規(guī)律[10-12]，但對高熵合金結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和動(dòng)力學(xué)方面的研究還比較缺乏。

近年來，采用計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算如第一性原理方法對材料的晶體結(jié)構(gòu)及性能預(yù)測已經(jīng)成為材料研究的一個(gè)重要手段。由于在計(jì)算多主元合金時(shí)需要構(gòu)建超大型晶胞，計(jì)算量大，而且對于高熵合金的原子占位并未確定，因此在研究高熵合金中，第一性原理計(jì)算存在較大困難。對分子動(dòng)力學(xué)而言，其含時(shí)且與溫度有關(guān)，可以很好地解決不同溫度下晶體結(jié)構(gòu)及原子擴(kuò)散問題。但在采用分子力場模擬高熵合金這種多主元環(huán)境下，需要精確建立三元以上甚至高達(dá)五元的原子間相互作用勢，這在目前幾乎很難實(shí)現(xiàn)。目前，采用Finnis-Sinclair(F-S)勢[13-14]可以比較有效解決金屬及合金問題，其采用幾何平均的方法處理異類原子多體勢部分在解決三元合金上也取得了一些較好的結(jié)果。

本文從在F-S經(jīng)驗(yàn)多體勢基礎(chǔ)上發(fā)展起來的二元合金Sutton-Chen(S-C)勢[15]出發(fā)，近似擴(kuò)展到適用于AlCrFeNiTi五元合金系的相互作用勢，利用該相互作用勢研究AlCrFeNiTi五元高熵合金在不同溫度下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性以及原子遷移能力；最后通過X射線衍射分析了鑄態(tài)AlCrFeNiTi高熵合金的相組成，并與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比，為高熵合金相結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的研究提供一定的理論依據(jù)。

1　Sutton-Chen勢參數(shù)的確定

在材料研究中，計(jì)算機(jī)模擬已經(jīng)成為一個(gè)重要的手段，而不僅僅局限于理論研究。本文利用GULP計(jì)算模擬方法[16]對不同溫度下AlCrFeNiTi合金的結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，合金原子間相互作用勢采用Sutton-Chen勢。在只考慮合金中二元?jiǎng)莸那闆r下，對于AlCrFeNiTi五元高熵合金，需要構(gòu)建Al-Al、Al-Cr、Al-Fe、Al-Ni、Al-Ti、Cr-Cr、Cr-Fe、Cr-Ni、Cr-Ti、Fe-Fe、Fe-Ni、Fe-Ti、Ni-Ni、Ni-Ti和Ti-Ti共15個(gè)兩中心函數(shù)。其方法是通過第一性原理計(jì)算得到最穩(wěn)定結(jié)構(gòu)下的純金屬元素和異類二元合金的晶格常數(shù)和彈性模量，擬合得到Al-Cr-Fe-Ni-Ti系合金中異類二元合金的S-C多體勢函數(shù)，最終擬合獲得的應(yīng)用于AlCrFeNiTi合金的原子間相互作用勢函數(shù)。

Sutton-Chen勢是在F-S經(jīng)驗(yàn)多體勢的基礎(chǔ)上為描述金屬的內(nèi)聚能發(fā)展而來。F-S勢是相對短程勢，在面心結(jié)構(gòu)晶體中可延伸到第三近鄰，而S-C勢正是為了修正其長程勢。S-C勢描述原子多體系統(tǒng)的結(jié)合能可以表達(dá)為：

U=UN+UP=

(1)

通過第一性原理計(jì)算得到最穩(wěn)定結(jié)構(gòu)下的Al、Cr、Fe、Ni和Ti純金屬元素和異類二元合金如AlNi和FeTi等的晶格常數(shù)和彈性模量，擬合得到了純金屬元素的電荷密度及原子之間的兩體勢參數(shù)如表1所示，異類二元合金原子之間的兩體勢參數(shù)如表2所示。

2　結(jié)果與分析

2.1晶體結(jié)構(gòu)變化

對等摩爾比的AlCrFeNiTi高熵合金來說，由于其合金的理論熔點(diǎn)Tm可以由經(jīng)驗(yàn)公式(2)計(jì)算得到：

(2)

其中ci為i組元在合金中的原子百分比，(Tm)i為i組元在純金屬下的熔點(diǎn)。通過計(jì)算可知，AlCrFeNiTi高熵合金的理論熔點(diǎn)約為1 489.6 K。因此，為了研究AlCrFeNiTi五元高熵合金在不同溫度下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性以及原子遷移能力，本文的分子動(dòng)力學(xué)采用NVT正則系綜，使用周期性邊界條件，溫度分別選擇50、100、300、500、1 000和1 500 K進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬，每個(gè)溫度下弛豫1×104個(gè)時(shí)間步長，時(shí)間步長選擇1 fs，在GULP下進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算。分別建立5×5×5體心結(jié)構(gòu)和5×5×5面心結(jié)構(gòu)的超晶胞模擬AlCrFeNiTi高熵合金的晶體結(jié)構(gòu)，其中原子的占位采用隨機(jī)占位方式。在建立的模型中，體心結(jié)構(gòu)的AlCrFeNiTi合金含有250個(gè)原子，面心結(jié)構(gòu)的AlCrFeNiTi合金含有500個(gè)原子，所構(gòu)建的晶體結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

表1　純金屬元素的S-C勢參數(shù)

表2　L-J型異類原子相互作用勢參數(shù)

圖1　構(gòu)建的AlCrFeNiTi高熵合金的晶體結(jié)構(gòu)

圖2和圖3分別是BCC和FCC結(jié)構(gòu)的AlCrFeNiTi高熵合金在50、300和1 500 K下的晶體結(jié)構(gòu)?？梢钥闯觯?dāng)在溫度為較低的50K和室溫的300K時(shí)，合金的整體結(jié)構(gòu)并未出現(xiàn)較大的畸形，原子僅在初始的平衡位置附近震動(dòng)，合金依然保持原有的BCC或者FCC結(jié)構(gòu)。對局部結(jié)構(gòu)而言，由于不同原子間的相互作用，每個(gè)小晶胞的晶格常數(shù)a1、b1和c1均發(fā)生變化，此時(shí)a1≠b1≠c1，并且隨著溫度的升高，畸變程度也隨著提高。當(dāng)溫度為1 500 K，略高于AlCrFeNiTi高熵合金的熔點(diǎn)1 489.6 K時(shí)，大部分原子已經(jīng)離開初始平衡位置，合金已不能保持初始的BCC與FCC結(jié)構(gòu)，原子位置為一種無規(guī)則的分布，說明此時(shí)合金結(jié)構(gòu)已經(jīng)初步消失，合金開始呈現(xiàn)一定的液態(tài)特征。

圖2　BCC結(jié)構(gòu)的AlCrFeNiTi高熵合金在不同溫度下的晶體結(jié)構(gòu)

圖3　FCC結(jié)構(gòu)的AlCrFeNiTi高熵合金在不同溫度下的晶體結(jié)構(gòu)

為了研究不同原子在AlCrFeNiTi高熵合金的不同晶體結(jié)構(gòu)下的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，計(jì)算了原子在不同溫度下的均方位移MSD，即原子位移平方的均值，通過公式(3)計(jì)算得到：

MSD=<|r(t)-r(0)|2>

(3)

其中r(t)表示i原子在t時(shí)刻的原子位置，r(0)為i原子的初始位置。括號< >表示對所有同類原子取平均值。圖4為計(jì)算統(tǒng)計(jì)得到的原子在不同溫度下的均方位移。從圖4可以看出，在BCC結(jié)構(gòu)的AlCrFeNiTi高熵合金中，隨著溫度的升高，原子的均方位移也隨之增加，并逐漸趨近于常數(shù)；而在FCC結(jié)構(gòu)的AlCrFeNiTi高熵合金中，原子的均方位移隨著溫度的升高呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，在500 K時(shí)原子的均方位移最大。合金中的原子在BCC結(jié)構(gòu)的總均方位移小于在FCC結(jié)構(gòu)時(shí)的均方位移，這說明在FCC結(jié)構(gòu)中，原子將會較大地偏離初始位置，在500 K時(shí)達(dá)到最大，側(cè)面反映了BCC結(jié)構(gòu)的AlCrFeNiTi高熵合金在不同溫度下均能保持較好的初始結(jié)構(gòu)構(gòu)型及穩(wěn)定性，而FCC結(jié)構(gòu)的AlCrFeNiTi高熵合金的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較BCC結(jié)構(gòu)的差。此外，無論在BCC還是FCC結(jié)構(gòu)中，F(xiàn)e和Cr原子在不同溫度下的均方位移較大，說明在AlCrFeNiTi高熵合金中，F(xiàn)e和Cr原子比Al、Ni和Ti原子較容易發(fā)生原子遷移。出現(xiàn)這種情況的原因有可能是Fe原子相對于Al、Cr、Ni和Ti原子來說有著最小的原子半徑1.24 ?，因此Fe原子的遷移將不會在晶格中產(chǎn)生較大的晶格畸變，遷移所需克服的能壘較小。

圖4　原子在不同結(jié)構(gòu)溫度下的均方位移

2.2結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與試驗(yàn)驗(yàn)證

表征結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的直接依據(jù)是晶格總能量，圖5為不同結(jié)構(gòu)的AlCrFeNiTi高熵合金在不同溫度下平均原子數(shù)的晶格總能量。從圖5中可以看出，除了在500 K時(shí)，BCC結(jié)構(gòu)的AlCrFeNiTi高熵合金的晶格總能量均低于FCC結(jié)構(gòu)。通常來說，高熵合金是在高溫冷卻至低溫時(shí)固溶結(jié)構(gòu)形成的。圖5中的能量曲線說明在AlCrFeNiTi高熵合金固溶體形成過程中，體心結(jié)構(gòu)將會優(yōu)先于面心結(jié)構(gòu)出現(xiàn)，而面心結(jié)構(gòu)的AlCrFeNiTi高熵合金形成的可能性較小，而且對于AlCrFeNiTi高熵合金來說，體心結(jié)構(gòu)固溶體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性比面心結(jié)構(gòu)的要高，該結(jié)論也與均方位移得到的結(jié)論相同。

圖5　不同結(jié)構(gòu)的AlCrFeNiTi高熵合金在不同溫度下的晶格總能量

為了驗(yàn)證分子動(dòng)力學(xué)結(jié)果得到的AlCrFeNiTi高熵合金形成體心結(jié)構(gòu)的固溶體具有較高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，實(shí)驗(yàn)中通過氬氣保護(hù)的真空電弧熔煉制得鑄態(tài)五元等摩爾比的AlCrFeNiTi高熵合金鑄錠，并對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，圖6為鑄態(tài)AlCrFeNiTi高熵合金的X射線衍射圖譜和相應(yīng)的金相形貌圖。分析圖6(a)可以發(fā)現(xiàn)，鑄態(tài)AlCrFeNiTi高熵合金僅僅形成了體心結(jié)構(gòu)的固溶體，包括一個(gè)有序的BCC1和一個(gè)無序的BCC2固溶體，還出現(xiàn)了少量的Fe2Ti相化合物。說明在鑄態(tài)AlCrFeNiTi高熵合金中，體心結(jié)構(gòu)的固溶體相對于面心結(jié)構(gòu)的固溶體具有更高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，合金在形成過程中原子更易于占據(jù)體心結(jié)構(gòu)的晶格點(diǎn)陣從而形成體心固溶體。在圖6(b)中觀察到鑄態(tài)AlCrFeNiTi合金由樹枝晶和枝晶間相組成，并且枝晶和枝晶間相之間還存在α+β的共晶組織，該組織為典型的高熵合金組織[1-3]，這也同樣說明了XRD分析結(jié)構(gòu)的正確性。在這里值得注意的是，實(shí)驗(yàn)中通過熔煉獲得的鑄態(tài)AlCrFeNiTi高熵合金形成了兩個(gè)成分不同的BCC結(jié)構(gòu)的固溶體，但是在該AlCrFeNiTi高熵合金中并未添加易于在合金形成過程中偏聚的合金元素Cu[2-5]，合金中這兩BCC結(jié)構(gòu)固溶體的成分大體上是滿足等摩爾比值，因此建立的等摩爾比的AlCrFeNiTi體結(jié)構(gòu)模型可以近似當(dāng)成鑄態(tài)AlCrFeNiTi高熵合金中任意的一個(gè)固溶體相的結(jié)構(gòu)?？偟膩碚f，由二元合金Sutton-Chen勢近似擴(kuò)展到適用于AlCrFeNiTi五元合金系的相互作用勢，從計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果上看，吻合較好，但為了更為精確深入地研究高熵合金結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，三元甚至多元的原子間相互作用勢的建立尤為必要，這也是未來有關(guān)高熵合金理論發(fā)展的趨勢之一。

圖6　鑄態(tài)AlCrFeNiTi高熵合金的結(jié)構(gòu)和形貌

3　結(jié)論

從Sutton-Chen勢出發(fā)近似擴(kuò)展到適用于AlCrFeNiTi五元合金系的相互作用勢，利用該相互作用勢探索了等摩爾比AlCrFeNiTi五元高熵合金的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對比，得到如下主要結(jié)論：

(1)體心結(jié)構(gòu)的AlCrFeNiTi高熵合金結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性比面心結(jié)構(gòu)高，在合金形成過程中，體心結(jié)構(gòu)優(yōu)先于面心結(jié)構(gòu)出現(xiàn)。

(2)Fe和Cr原子在AlCrFeNiTi高熵合金中比Al、Ni和Ti原子較容易發(fā)生原子遷移。

(3)制備的鑄態(tài)等摩爾比的AlCrFeNiTi高熵合金為簡單體心結(jié)構(gòu)，形成兩BCC相和一個(gè)Fe2Ti相，結(jié)果與計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性符合。

[1]葉均蔚,陳瑞凱,劉樹均.高熵合金的發(fā)展概況[J].工業(yè)材料雜志,2005,224(2)：71-79.

[2]YEH J W,CHEN S K,GAN J Y,et al.Nanostructured high-entropy alloys with multi principal elements-novel alloy design concepts and outcomes[J].Adv Eng Mater,2004,6(5):299-303.

[3]杜經(jīng)邦,楊智超,葉均蔚.塊狀多元高功能合金之特性[J].工業(yè)材料雜志,2005,224：80-86.

[4]YEH J W,CHANG S Y,HONG Y D,et al.Anomalous decrease in X-ray diffraction intensities of Cu-Ni-Al-Co-Cr-Fe-Si alloy systems with multi-principal elements[J].Materials Chemistry and Physics,2007,103(1):41-46.

[5]WANG X F,ZHANG Y,QIAO Y,et al.Novel microstructure and properties of multicomponent CoCrCuFeNiTix alloys[J].Intermetallics,2007,15(3):357-362.

[6]GREER A L.Confusion by design[J].Natrue,1993,366(25):303-304.

[7]CHEN Y Y,DUVAL T,HUNG U D,et al.Microstructure and electrochemical properties of high entropy alloys-a comparison with type-304 stainless steel[J].Corrosion Science,2005,47(9):2257-2279.

[8]HSU C Y,YEH J W,CHEN S K,et al.Wear resistance and high-temperature compression strength of Fcc CuCoNiCrAl0.5Fe alloy with boron addition[J].Metallurgical and Materials Transactions A,2004,35(35):1465-1469.

[9]YEH J W.Recent progress in high-entropy alloys[J].Ann Chim Sci Mater,2006,31(6):633-648.

[10]ZHANG Y,ZHOU Y J,LIN J P,et al.Solid-Solution Phase Formation Rules for Multi‐component Alloys[J].Adv Eng Mater,2003,261(6):7-11.

[11]NONG Z S,ZHU J C,CAO Y,et al.Stability and structure prediction of cubic phase in as cast high entropy alloys[J].Materials Science and Technology,2014,30(3):363-369.

[12]SINGH A K,KUMAR N,DWIVEDI A,et al.A geometrical parameter for the formation of disordered solid solutions in multi-component alloys[J].Intermetallics,2014,53(10):112-119.

[13]FINNIS M W，SINCLAIR J E.A simple empirical N-body potential for transition metals[J].Phil Mag A,1984,50(1):45-55.

[14]Ackland G J，Tichy G，Vitek V，et al.Simple N-body potentials for the noble metals and nickel[J].Phil Mag A,1987,56(6):735-756.

[15]JOSWIG J O,SPINGBORG M.Genetic-algorithms search for global minima of aluminum clusters using a sutton-chen potential[J].Phys Rev B,2003,68(8)：338-344.

[16]GALE J D.GULP:A computer program for the symmetry-adapted simulation of solids[J].J Chem Soc Faraday Trans,1997,93(4):629-637.

(責(zé)任編輯：吳萍英文審校：劉興民)

Experiment on structural stability of AlCrFeNiTi high entropy alloy

NONG Zhi-sheng1，LI Hong-yu1，ZHU Jing-chuan2

(1.College of Materials Science and Engineering,Shenyang Aerospace University,Shenyang 110136，China;2.School of Materials Science and Engineering,Harbin Institute of Technology,Harbin 150001，China)

In order to explore the structural stability of high entropy alloy,the application of Sutton-Chen multibody potential for binary alloy was extended to Al-Cr-Fe-Ni-Ti system multi-element alloys.The atomic migration ability and structural stability of AlCrFeNiTi high entropy alloy under different temperatures were investigated by using these interaction potentials.The structures of as-cast AlCrFeNiTi high entropy alloy were also analyzed by the experimental method and the results were compared with those of calculation.The results show that the AlCrFeNiTi with a body centered cubic(BCC)structure presents a higher structural stability than that of face centered cubic structure,and the alloy with BCC structure would be formed easily.In addition,there are two BCC structures formed in the as-cast AlCrFeNiTi high entropy alloy prepared by the experiment,which is consistent with the calculated results.

AlCrFeNiTi high entropy alloy;structural stability;interaction potentials

2095-1248(2016)03-0052-06

2015-10-29

遼寧省博士啟動(dòng)基金(項(xiàng)目編號:201501079)

農(nóng)智升(1986-)，男，廣西崇左人，講師，博士，主要研究方向：高熵合金結(jié)構(gòu)及性能，合金結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性計(jì)算，E-mail:nzsfir@hit.edu.cn。

TG146

A

10.3969/j.issn.2095-1248.2016.03.008