低密度Al₂₀+xCr₂₀-xMo₂₀-yTi₂₀V₂₀+y合金力学、热力学性质研究

关键词：高熵合金、力学性质、热力学性质、MedeA VASP

1. 研究背景

目前，使用广泛的合金是镍基合金，工作温度为1200~1600K。传统镍基合金由于熔点低，密度高，其性能受高温（>1900K）限制。近年来，铬镍铁合金625、SSR 99及Co-Ti-Cr等高温镍基合金被大家广泛研究。它们具有优良的力学性质，也具有较高密度。理想状态下，飞机发动机结构需要高韧性、高熔点、低密度材料。钛混合耐火高熵合金（RHEAs）具有优异的力学性能、高熔点、高硬度、延展性、耐磨性和高温强度等特点，引起了研究者广泛关注。本案例中，作者通过第一性原理密度泛函理论研究了HEA AlCrMoTiV及新型

RHEA Al30Cr10Mo5Ti20V35等结构，并分析其力学和热力学性质。

2. 建模与计算方法

作者先创建了RHEA BCC结构，随后采用MedeA-VASP分析RHEAs各结构，并采用MedeA-MT模块分析RHEAs：Al₂₀Cr₂₀Mo₂₀Ti₂₀V₂₀、Al₂₀Cr₂₀Mo₁₀Ti₂₀V₃₀、Al₃₀Cr₁₀Mo₅Ti₂₀V₃₅各结构力学性质及热力学性质，绘制热膨胀系数、比热容对温度函数。

3. 结果与讨论

3.1 结构分析

作者采用MedeA-VASP分析RHEAs结构，RHEAs超胞含100个原子结构，见图1a，并分析了RHEAs超胞 total及partial pair distribution function（PDF）见图1b。从图中可知，在RHEA BCC结构中，每个原子有8个最近的相邻元素，6个次近的元素。在RHEAs超胞中，第一邻近元素形成400 pairs combined；第二邻近元素形成700 pairs；400 pairs中有12种元素与第一邻近元素结合而成，700 pairs中有22种元素与第二邻近元素结合形成，这说明RHEAs中元素分布均匀，是较好的熵结构模型。

图1  AlSi10Mg三元合金的晶体模型(382x207x15nm)

3.2 力学性质

作者使用MedeA MT模块，用含有100个原子的超胞，分别计算了Al₂₀Cr₂₀Mo₂₀Ti₂₀V₂₀、Al₂₀Cr₂₀Mo₁₀Ti₂₀V₃₀、Al₃₀Cr₁₀Mo₅Ti₂₀V₃₅各结构力学性质，见表1。Al₂₀Cr₂₀Mo₂₀Ti₂₀V₂₀、Al₂₀Cr₂₀Mo₁₀Ti₂₀V₃₀、Al₃₀Cr₁₀Mo₅Ti₂₀V₃₅体积分别为：；Al₃₀Cr₁₀Mo₅Ti₂₀V₃₅具有低密度（5.16cm³）特点。通过计算发现三种RHEAs都表现出金属性质，因为它们都有一个正向的Cauchy pressure。根据Cauchy pressure、Poisson ratio及Pugh criterion的计算结果，可知PHEAs具有延展性。通过MedeA MT模块计算的Al₂₀Cr₂₀Mo₂₀Ti₂₀V₂₀的维氏硬度Hv=5.48GPa，与实验值5.55GPa比较接近。Al₃₀Cr₁₀₀Mo₅Ti₃₅V₂₀具有低密度、高韧性和高熔点等特点，可进一步探究。

表1 RHEAs力学性质

3.3 热力学性质

Al₂₀Cr₂₀Mo₂₀Ti₂₀V₂₀、Al₂₀Cr₂₀Mo₁₀Ti₂₀V₃₀、Al₃₀Cr₁₀Mo₅Ti₂₀V₃₅ RHEAs各结构热膨胀系数α对温度的函数图，见图2。Al₂₀Cr₂₀Mo₂₀Ti₂₀V₂₀、Al₂₀Cr₂₀Mo₁₀Ti₂₀V₃₀、Al₃₀Cr₁₀Mo₅Ti₂₀V₃₅各结构德拜温度（θD）分别为：428K、443K、451K，Al₃₀Cr₁₀Mo₅Ti₂₀V₃₅具有较高的德拜温度，因此其内部共价键强与其他两种RHEAs结构。作者发现在给定的RHEAa下，随温度从0K增加到200K，热膨胀系数α随之增加；到温度达到600K以上，α逐渐变成线性。从图2b中可知，当温度高于50K时，比热容Cv值：Al₃₀Cr₁₀Mo₅Ti₂₀V₃₅ > Al₂₀Cr₂₀Mo₁₀Ti₂₀V₃₀ > Al₂₀Cr₂₀Mo₂₀Ti₂₀V₂₀，这说明高密度元素Mo和Cr降低了Al₃₀Cr₁₀Mo₅Ti₂₀V₃₅ Cv值；Al₃₀Cr₁₀Mo₅Ti₂₀V₃₅ 比热容较高，所以它吸收的热量比其他两种结构要多。

图4 (a)热膨胀系数对温度函数；(b)比热容对温度函数

4. 总结与展望

本案例中，作者通过第一性原理及Debye理论，研究了三种RHEAs的结构、力学和热力学性质。通过计算分析发现、Al₃₀Cr₁₀Mo₅Ti₂₀V₃₅ 具有较好的延展性；热力学性质表明随着Al和V加入，使Al₃₀Cr₁₀Mo₅Ti₂₀V₃₅ 热膨胀系数和比热容高于RHEA  Al₂₀Cr₂₀Mo₂₀Ti₂₀V₂₀ ，Al₃₀Cr₁₀Mo₅Ti₂₀V₃₅是高温应用中潜在材料。该工作对耐高温材料设计以及性质研究具有重要的科学意义。

参考文献：

Uttam Bhandari, et al, Mechanical and Thermal Properties of Low-Density Al20+xCr20-xMo20-yTi20V20+y Alloys. Crystals 2020,10,278

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