一种用于复合变量高熵合金成分设计的方法技术

本发明专利技术涉及高熵合金成分设计技术领域，公开了一种用于复合变量高熵合金成分设计的方法，包括如下步骤：(一)选择合金元素，根据需求选择合金元素组合；(二)以形成单相BCC结构为前提，根据单一变量法确认每种元素的含量范围；(三)设置变量步进，缩小每种元素的含量范围，获得具有单相结构的高熵合金。本方案通过“单一变量”和“设置变量步进”的方法，对给定元素高熵合金中各元素的含量范围进行预测，从而获得形成固溶体相或形成单相固溶体的高熵合金化学通式，并输出参数计算值，进一步生成参数变化曲线；有效根据目标导向进行高熵合金的成分设计，定向获得高综合性能的高熵合金，更能满足使用者需求。能满足使用者需求。

【技术实现步骤摘要】
一种用于复合变量高熵合金成分设计的方法


[0001]本专利技术涉及高熵合金成分设计
，具体涉及一种用于复合变量高熵合金成分设计的方法。

技术介绍

[0002]高熵合金(HEAs)是由5种或5种以上等摩尔比或近等摩尔比含量的元素组成，且每种元素的原子分数在5％～35％之间，能够形成简单固溶体的多主元合金。高熵合金具有高强度、高硬度、耐腐蚀性、耐磨性、高温抗软化及抗氧化性等诸多优异性能。然而，高熵合金主元数众多，并且没有任何相图可供参考，这就使得生产制造所得产品可能达不到预期效果。因此，如何在众多元素中选择合适的元素及设定各元素的成分比例，以获得合适的相组成，从而制备出性能优异的新型高熵合金体系是研究的重点之一。
[0003]目前有多种软件程序可用于采用参数计算方法设计高熵合金(HEA)成分，包括Thermo
‑
Calc、JMatPro和CALPHAD。
[0004]Thermo
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Calc是一个使用热力学和动力学模型来预测多组分体系的相稳定性、相图和其他性质的软件包，主要用于设计具有特定性能的高熵合金，如高温强度和耐腐蚀性；JMatPro是另一个使用热力学和动力学模型来预测包括高熵合金在内的材料性能的软件包，该数据库包括多组分体系的热力学和动力学数据，可用于设计新的HEA组成；CALPHAD是一种相图计算技术，利用热力学和动力学模型预测材料性质的计算方法，用于设计具有特定性能的高熵合金，如高温稳定性和机械强度。
[0005]这些软件程序的缺点之一是缺乏多组分体系可靠的热力学和动力学数据。这会导致对HEA(高熵合金)的性质预测不准确，限制了这些程序在设计新的HEA组合物时的有效性。另一个不足是对支配高熵合金性质的潜在机制的理解有限。这使得利用现有的模型和数据库很难准确预测它们的性质。为了解决这些缺点和不足，研究人员正在开发新的计算方法，结合机器学习和数据挖掘技术来生成HEA属性的预测模型。这些方法利用实验和计算数据的大数据集来训练能够根据高熵合金的成分准确预测其性质的模型。
[0006]综上，研发一种流程简单、高效且预测准确率高的高熵合金成分设计的方法，不仅有效弥补现有技术的不足，还能有效进行高熵合金成分设计及准确预测设计的高熵合金的相结构，对高熵合金的广泛应用具有重要意义。

技术实现思路

[0007]本专利技术意在提供一种用于复合变量高熵合金成分设计的方法，以解决现高熵合金成分设计的方法中相结构预测结果准确率低、无法进行精确的高熵合金成分设计的技术问题。
[0008]为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种用于复合变量高熵合金成分设计的方法，包括如下步骤：
[0009]S1、选择合金元素，根据需求选择合金元素组合；
[0010]S2、以形成单相结构为前提，根据单一变量法确认每种元素的含量范围；
[0011]S3、设置变量步进，缩小每种元素的含量范围，获得具有单相结构的高熵合金。
[0012]本方案的原理及优点是：
[0013]本方案通过以单相结构为前提，根据单一变量法确认每种元素的含量范围，并通过设置变量步进，缩小每种元素的含量范围，能够设计获得具有单相BCC结构的高熵合金，一方面可以根据生产需求进行设计高熵合金，另一方面能提升生产所得高熵合金的性能。专利技术人发现，单相BCC结构高熵合金往往具有更高的低温强度和韧性，更好的高温稳定性，更好的耐腐蚀性等。首先，单相BCC结构高熵合金具有更高的位错密度和更复杂的位错结构，使其在低温下更耐变形和断裂，使得单相BCC结构高熵合金在低温下具有更高的强度和韧性；相比之下，FCC结构高熵合金在低温下容易发生韧脆转变。其次，单相BCC结构高熵合金在高温下形成有序的BCC相比于FCC结构高熵合金形成的有序FCC相更稳定，更不易晶粒长大(晶粒更细)。这使得单相BCC结构高熵合金能够在较高温度下保持其力学性能，具有更好的高温稳定性。再者，单相BCC结构高熵合金由于在其表面形成了更具有保护性的氧化层，阻止了进一步的腐蚀和降解，使得单相BCC结构高熵合金也往往比FCC结构高熵合金具有更好的耐腐蚀性能。
[0014]优选的，在S2中，形成单相结构的判定方法包括如下步骤：
[0015]步骤一、计算目标高熵合金的参数值，所述参数值包括混合焓(ΔHmix)、混合熵(ΔSmix)、热力学参数Ω、原子半径差(δ)、电负性差(Δχ)、价电子浓度(VEC)及理论密度(ρ)；
[0016]步骤二、根据目标高熵合金的参数值与单相固溶体的参数范围进行比对，分级判定目标高熵合金的相结构。
[0017]优选的，所述分级判定包括依次进行的一级判定、二级判定和三级判定；
[0018]所述一级判定为当目标高熵合金的参数落入δ＜15％、8.31J/(K
·
mol)＜ΔSmix、
‑
40kJ/mol＜ΔHmix≤5kJ/mol范围内时，判定目标高熵合金形成固溶体相，不满足此判断的删除；
[0019]所述二级判定为当目标高熵合金的参数落入δ＞3.3％、
‑
40kJ/mol＜ΔHmix＜
‑
7.5kJ/mol、Ω＜1范围内时，判定目标高熵合金形成金属间相，删除该部分数据；而当目标高熵合金的参数落入
‑
15kJ/mol＜ΔHmix≤5kJ/mol、8.31J/(K
·
mol)＜ΔSmix≤17.5J/(K
·
mol)、δ＜3.6％、Ω≥1.1、VEC＜6.87范围内时，判定目标高熵合金形成单相BCC结构，不满足此判断的进行三级判定；
[0020]所述三级判定为当目标高熵合金的参数落入Ω≥1.1，δ＜3.6％，VEC＞7.3范围内时，判定目标高熵合金中含有FCC相结构，不满足此判断的增加参数Δχ进行下一步判断；即当目标高熵合金的参数落入
‑
15kJ/mol＜ΔHmix≤5kJ/mol，8.31J/(K
·
mol)＜ΔSmix≤17.5J/(K
·
mol)，Ω≥1.1，VEC＜6.87，Δχ＜29％范围内时，判定目标高熵合金倾向形成单相BCC结构。
[0021]有益效果：本方案通过设置多级判定，一步一步缩小参数范围，提升判定结果准确性。另，在三级判定后均不满足条件时，增设参数Δχ进行判定，有效减少判定错配率，提升高熵合金元素设计后相结构预测准确性，实现根据需求进行高熵合金的元素及相结构(性能)设计，减少原料试错成本。
[0022]优选的，还包括排他判定，所述排他判定为当目标高熵合金的参数无法根据一级判定、二级判定和三级判定得出相结构结果时，判定目标高熵合金形成非单相BCC结构。
[0023]有益效果：本方案通过设置排他判定的补救途径，将无法形成单相结构的各种参数范围全部容纳，有效提升判定准确性。
[0024]优选的，在S3中，设置变量步进包括如下步骤：
[0025]步骤(本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于复合变量高熵合金成分设计的方法，其特征在于：包括如下步骤：S1、选择合金元素，根据需求选择合金元素组合；S2、以形成单相结构为前提，根据单一变量法确认每种元素的含量范围；S3、设置变量步进，缩小每种元素的含量范围，获得具有单相结构的高熵合金。2.根据权利要求1所述的一种用于复合变量高熵合金成分设计的方法，其特征在于：在S2中，形成单相结构的判定方法包括如下步骤：步骤一、计算目标高熵合金的参数值，所述参数值包括混合焓(ΔHmix)、混合熵(ΔSmix)、热力学参数Ω、原子半径差(δ)、电负性差(Δχ)、价电子浓度(VEC)及理论密度(ρ)；步骤二、根据目标高熵合金的参数值与单相固溶体的参数范围进行比对，分级判定目标高熵合金的相结构。3.根据权利要求2所述的一种用于复合变量高熵合金成分设计的方法，其特征在于：所述分级判定包括依次进行的一级判定、二级判定和三级判定；所述一级判定为当目标高熵合金的参数落入δ＜15％、8.31J/(K
·
mol)＜ΔSmix、
‑
40kJ/mol＜ΔHmix≤5kJ/mol范围内时，判定目标高熵合金形成固溶体相，不满足此判断的删除；所述二级判定为当目标高熵合金的参数落入δ＞3.3％、
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40kJ/mol＜ΔHmix＜
‑
7.5kJ/mol、Ω＜1范围内时，判定目标高熵合金形成金属间相，删除该部分数据；而当目标高熵合金的参数落入
‑
15kJ/mol＜ΔHmix≤5kJ/mol、8.31J/(K
·
mol)＜ΔSmix≤17.5J/(K
·
mol)、δ＜3.6％、Ω≥1.1、VEC＜6...

【专利技术属性】
技术研发人员：鲍丽，陈思硕，杨洪涛，于奇，司旭东，
申请(专利权)人：郑州机械研究所有限公司，
类型：发明
国别省市：