《Nature Commun》：高性能轻量化高熵合金的高通量设计！

编辑推荐：高熵合金含有四种以上的主要合金元素，仅用实验的方法从数以千计不同成分中筛选出性能优异的组合将耗费巨量的时间。本文利用高通量热力学计算快速筛选出八种有效成分，为多组元复杂合金的设计提供了更可行的方案。

镍基超合金广泛应用于航空工业，但是其高密度也逐渐制约其应用和发展。据此，研发价格更低廉的轻质高温合金材料来代替镍基合金成为了现今的研究热点。然而，目前所报道的轻质高温合金仍存在高温强度不足的问题，这限制了新材料的应用。

来自田纳西大学的Liaw教授团队最新研究表明，高通量相图与热化学计算能快速有效地，从数千种不同成分配比的Al-Cr-Fe-Mn-Ti五元高熵合金中筛选出性能优异的成分组合，从而有效获得比其他合金更高的低温以及高温强度。相关论文以题为“High-throughput design of high-performance lightweight high-entropy alloys”发表在Nature Communications。

论文链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-021-24523-9

本研究以Al–Cr–Fe–Mn–Ti五元高熵合金为研究对象，此合金由体心立方（BCC）固溶基体以及高密度共格L2₁析出相组成。高通量计算的标准包含以下三个方面，分别是（1）熔点高于1250℃，熔点温度时BCC相含量为100%；（2）合金中仅含有BCC相和L2₁相，并且在0.8倍熔点处L2₁相的含量范围为5-50%；（3）合金中仅含有BCC相和L2₁相，并且在0.5倍熔点处L2₁相的含量范围为5-50%。

图1. Al–Cr–Fe–Mn–Ti合金系统的高通量成分优化筛选。a：高通量计算流程图；b：Al-Cr投影图；c：Al-Fe投影图；d：Al-Mn投影图；e：Al-Ti投影图。图a 到图e中，“1”代表仅满足标准（1）；“2”代表满足标准（1）和（2）；“3”代表满足所有标准。

为验证所筛选的合金成分的性能，研究人员做了系统的实验研究，包括物相分析，微观结构检测，力学性能分析，原位中子散射分析，第一性原理分子动力学计算（AIMD），以及Metropolis蒙特卡洛法。结果表明，通过优化筛选所得到的合金（Al₂₀Cr₅Fe₅₀Mn₂₀Ti₅，Al₁₅Cr₅Fe₅₀Mn₂₅Ti₅）展现出了明显优于其他类似合金的室温以及高温力学强度。比如合金Al₁₅Cr₅Fe₅₀Mn₂₅Ti₅的室温强度、700℃强度分别达到了1642 MPa和643 MPa。合金中存在的大量纳米尺寸L2₁相析出物以及L2₁相的形变属性是合金的增强原因。

图2. 合金微观结构以及成分分布。a：同步辐射X-射线物相图；b、c：背散射微观结构分析；d、e：透射电镜暗场分析图以及选区衍射图；f：透射电镜高分辨图，BCC相与L2₁相以共格形式存在；g：热处理后样品的透射电镜暗场图片；h、i：原子探针元素分布分析。

图3. 合金机械性能测试。a：抗压应力-应变图；b：合金抗压屈服强度随温度的变化及不同合金的比较；c、d：原位中子衍射测定的随温度变化，并且沿应力方向的晶格应变。

图4. 合金的有序-无序转变。a、b：高温原位中子散射图谱；c、d：蒙特卡洛法测得的随温度变化的长程有序参数；e、f：蒙特卡洛法测得的随温度变化的短程有序参数。

综上所述，高通量相图与热化学计算可极大促进高熵合金的设计，从而可以快速筛选出性能优异的合金成分。本文的研究人员通过系统的实验和模拟也验证了此方法的可靠性。通过丰富计算软件和数据库，此种技术还可以扩展至更多的多组元复杂合金，比如钛合金，铜合金，铝合金等，这对整个合金设计行业的发展有着巨大的推动作用。（文：坚持）