本发明专利技术涉及一种基于组元间偏聚情况进行高熵合金成分设计的方法。本发明专利技术通过计算各元素间的相互作用能，来判断各组元间的偏聚情况，进而选择特定的元素以符合相应的相互作用能范围，以形成具有特定结构的高熵合金，从而完成高熵合金的成分设计。本发明专利技术首创了基于组元间相互作用能对高熵合金量化地进行成分设计，给出了相互作用能的计算方法，可以获得具有特定结构的高熵合金。并且计算简便，准确可靠，提高了制备具有特定结构的高熵合金的成功率。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于合金成分设计领域，具体涉及高熵合金成分设计的方法。技术背景传统的合金都是遵循这样的设计理念：以一种或两种金属元素为主要组元，通过添加其他的微量元素来进行组织及性能的改善。2004年，中国台湾学者叶均蔚经过多年的实践研究后，提出了完全不同于传统合金设计理念的高熵合金。高熵合金不再以某一种元素为主，而是将多种元素按照等原子比或近似等原子比的形式进行合金化。随着高熵合金的发展，只要每种组元的原子百分比介于5％～35％之间，这样的多组元合金也认为是高熵合金。根据这种全新的多组元合金设计理念，我们可以知道高熵合金的体系是众多的，因此高熵合金的成分设计问题需要得到更加详尽的研究。由于高熵效应，高熵合金的显微组织一般是较单一的结构，可以是面心立方结构、体心立方结构或同时形成面心立方结构和体心立方结构。但是最近的研究表明，由于在温度降低的过程中合金可能会发生Spinodal分解以及无序相的析出，高熵合金可以形成比较复杂的组织结构，比如可以包括纳米析出相、有序固溶体、无序固溶体甚至非晶相。到目前为止，针对高熵合金的相形成规律已经有了很多的研究。比如，根据Hume-Rothery规则，用原子半径差δ、电负性差Δχ、价电子浓度(VEC)等来研究高熵合金的相形成规律。以及用合金的混合焓ΔHmix、混合熵ΔSmix、d轨道能级等建立表征高熵合金相形成规律的标准等。但是，这些都是采用半经验方法，也无法用来解释高熵合金为什么会形成单一的固溶体结构。而高熵合金很多都具有较强的抗氧化能力、抗高温软化能力、耐蚀性，在高温下也有较高的强度、硬度等，所以其在高温领域具有很大的应用价值。比如耐温耐磨引擎零件、船舰的耐蚀高强度材料等。因此对于高熵合金相的形成规律来说，有必要研究其高温相的形成规律。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种基于组元间偏聚情况进行高熵合金成分设计的方法。该方法首创了基于组元间相互作用能Iij对高熵合金量化地进行成分设计，给出了相互作用能的计算方法，可以获得特定结构的高熵合金。该方法准确可靠，提高了制备特定结构高熵合金的成功率。本专利技术基于组元间偏聚情况进行高熵合金成分设计的方法，是通过计算各元素间的相互作用能，来判断各组元的偏聚情况，进而选择特定的元素以符合相应的相互作用能范围，以形成具有特定结构的高熵合金，从而完成高熵合金的成分设计。基于组元间偏聚情况进行高熵合金成分设计的方法，具体包括以下步骤，(1)元素间的相互作用能计算：计算设计温度下，各个元素间的相互作用能(Iij)；(2)判断组元的偏聚情况：根据各个相互作用能值判断组元的偏聚情况，主要包括如下情形：a)等原子比高熵合金中所有组元的相互作用能都满足-It<Iij<It(It为合金形成固溶体的Iij的极限值，本专利技术中|It|＝25KJ·mol-1)，该合金趋向于形成单一结构的固溶体；b)当存在组元间相互作用能Iij>It时，合金中会出现同类组元的偏聚；c)多组元系统中存在某一组元与其余组元的相互作用能Iij都为负值且负值相差不大，且其他组元的相互作用能满足Iij<|It|，则该合金也会趋向于形成单一结构的固溶体；d)当存在一种或者两种组元间的相互作用能Iij值远小于0，即Iij<<-It时，这些组元将趋向于在合金的晶界处或者合金树枝晶的晶间处析出，形成第二相或者形成新的固溶相；e)组元间的相互作用能都不满足上述四种规律，则该合金中将出现杂乱无序的多相组织。(3)高熵合金的成分设计：根据所需结构来选择特定的元素以符合对应的相互作用能值的范围，其中合金的组元数大于或等于4个，并且各组元是按照等原子比或近似等原子比进行合金化，即任意两组元的原子比为(0.95～1.05):(0.95～1.05)，来完成高熵合金的成分设计。本专利技术的工作原理如下：从热力学角度考虑多元合金系统的组织与相的稳定性可知，合金中组织的结构和相的稳定性都与Gibbs自由能的变化(△G)有密切相关，而Gibbs自由能的变化由体系焓变(△H)、温度(T)以及体系的熵变(△S)决定的，其表达式为：ΔG＝ΔH-TΔS (1)该式普遍适用于所有合金体系。对于等原子比高熵合金，主元数n≥4时，在液固相转变温度下，该式中混合熵项-T△S对体系的Gibbs自由能变化的贡献是最大的。由于随着主元数的增加，体系的混合熵随之增大，体系中各组元的混乱程度也在增大，使得体系中各组元趋向于无序分布。而体系的Gibbs自由能降低，体系则处于较为稳定的状态。依据高熵合金的高熵效应可知，高熵合金相形成过程中组元扩散缓慢，过冷度大，结晶速度快，结合高熵合金在熔融状态下各组元无序分布的特点，可近似认为高熵合金是一个完全无序的固溶体。为了便于分析，本专利技术采用正规熔体近似的摩尔混合自由能(△Gmix)替换公式(1)中的Gibbs自由能△G得到如下公式：ΔGmix＝ΔHmix-TΔSmix (2)其中ΔSmix＝-R(1/n ln 1/n+1/n ln 1/n+…+1/n ln 1/n)＝R ln n (3)常压下，溶液混合引起的体积变化可忽略，所以Δ(PV)＝0。即ΔHmix＝ΔUmix+Δ(PV)＝ΔUmix (4)而ΔUmix＝zNXiXj[uij-(uii+ujj)/2] (5)Iij＝zN[uij-(uii+ujj)/2] (6)所以ΔHmix＝IijXiXj (7)对于等原子比高熵合金，此式可写成： ΔH m i x = 1 n 2 Σ i = 1 , j ≠ 1 n I i j - - - ( 8 ) ]]>式中，△Smix和△Hmix分别是体系的混合熵和混合焓，n为合金的组元数(n≥4)，△Umix为内能，Z为配位数，N为Avogadro常数，Iij为合金中组元间的相互作用能，R为理想气体常数(8.314J·mol-1·K-1)。其中，uij、uii、ujj为原子间结合能，是常数。由正规溶体的摩尔自由能Gm可知，Iij可由下式计算而得： I i j = G m - ( X i 本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于组元间偏聚情况进行高熵合金成分设计的方法，其特征在于：通过计算各元素间的相互作用能，来判断各组元的偏聚情况，进而选择特定的元素以符合相应的相互作用能范围，以形成具有特定结构的高熵合金，从而完成高熵合金的成分设计。
【技术特征摘要】
1.一种基于组元间偏聚情况进行高熵合金成分设计的方法，其特征在于：通过计算各元素间的相互作用能，来判断各组元的偏聚情况，进而选择特定的元素以符合相应的相互作用能范围，以形成具有特定结构的高熵合金，从而完成高熵合金的成分设计。2.根据权利要求1所述的基于组元间偏聚情况进行高熵合金成分设计的方法，其特征在于：包括以下步骤，（1）元素间的相互作用能计算：计算设计温度下，各个元素间的相互作用能Iij；（2）判断组元的偏聚情况：根据各个相互作用能值判断组元的偏聚情况，主要包括如下情形：a) 等原子比高熵合金中所有组元的相互作用能都满足-It<Iij<It，It为合金形成固溶体的Iij的极限值，该合金趋向于形成单一结构的固溶体；b) 当存在组元间相互作用能Iij>It时，合金中会出现同类组元的偏聚；c) 多组元系统中存在某一组元与其余组元...
【专利技术属性】
技术研发人员：湛永钟，叶海梅，唐铖锽，丁晓龙，柳帅，杜再翔，张建峰，陈晓娴，吴俊彦，
申请(专利权)人：广西大学，
类型：发明
国别省市：广西;45
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