新型共晶高熵合金高温形变控制机制

关键词：共晶、高熵合金、SQS、高温形变、蠕变响应、DFT

1. 案例背景

高熵合金（HEAs）因具有高构型熵，低自由能，使得其想稳定性较高，因此被认为是镍基高温合金的潜在替代品。但由于元素间的混合效应，此类合金的成分非常复杂，从而导致元素偏析等问题。为了避免这些问题，研究人员合成了具有高强度和延展性的复合材料——单一熔点的共晶高熵合金（AM EHEA）。其中，AlCoCrFeNi2.1是一种性能优异的AM EHEA，为进一步研究其特性，本案例作者在实验中合成了该类材料，并结合DFT计算模拟解释了AM EHEA在高温下的形变机理。

2. 建模与计算方法

作者通过MedeA InfoMaticA 中的SQS模块创建了AlCoCrFeNi2.1晶胞（L12）和四种平面失配模型：反相界面APB（010）、反相界面APB（111）、超胞本征堆垛缺陷SISF（111）、复合堆垛缺陷SCF（111）。四种平面失配模型分别命名为：D023、γa’、D024、x。最后创建了bcc相的随机固溶体模型；利用Supercell Builder 将晶胞扩胞形成2×2×2的超胞；每种结构取2个准随机结构用于后续计算。随后作者采用MedeA VASP模块中GGA-PBE方法对所有体系进行优化，而后使用MedeA MT模块计算了材料的力学性能。截断能450 eV；K点间隔0.167 Å-1。

3. 结果与讨论

3.1 实验部分

图1 (a) AM HEA沿着（XY）方向的SEM图；(b) AM HEA沿着（YZ）方向的SEM图；(e) 原子探针层析成像图

图2 (a) 室温下平行于构建平面的压缩和垂直平面的压缩；(b) 400℃、700℃、800℃下平行于构建平面的压缩

作者采用激光网状成型制备了AlCoCrFeNi2.1高熵合金，并通过SEM和APT检测，发现材料具有树枝状和共晶形态，其中共晶结构是主体，且板层由fcc相、bcc相和fcc相中的超晶格点组成，无偏析现象，证明成功合成。随后进行了应变速率压缩试验，结果表明室温下出现了屈服各向异性，随温度升高材料屈服强度逐渐增加，800°C后降低，在600°C时屈服强度高于室温。由于L12相比bcc相更硬，因此主要变形过程仅取决于L12相。

3.2 理论计算

图3 (a) L12; (b) γa’; (c) D023; (d) D024; (e) x; (f) bcc 的结构模型

为了进一步了解AM EHEA材料的性能与特点，作者构建了AM EHEA材料的多种模型， 其结构如图3所示。

MedeA VASP：先对L12和bcc相进行了结构优化，晶格参数和原子能量如表1所示。

MedeA MT：L12相的弹性常数为C11= 367 ± 38 GPa，C12= 232 ± 61 GPa，C44= 165 ± 2 GPa；bcc相的弹性常数为C11= 182 ± 6 GPa，C12= 153 ± 4 GPa，C44= 118 ± 6 GPa。C11 - C12> 0，两相材料在力学上都具有稳定性。

表1 计算所得L12相和bcc相的晶格参数、能量和单晶弹性常数

作者研究了L12结构的不同失配平面模型，并计算了结构和平面失配能量。结果表明失配区域可能导致相邻键的断裂和原子位置交换，DMLF模型模拟显示失配平面之间不会相互作用。APB（111）和APB（001）的失配能差异很大，并且APB（111）能量较低，说明其形变是从（111）滑移面到（001）滑移面的1/2<110>螺旋位错交叉滑移的过程。由于（001）滑移面的位错滑移Peierls-Nabarro应力较高，因此位错被停止，并能够在高温下增强材料强度。

表2 被约束在L12相晶格参数下的各失配平面结构的能量

表3 被约束在L12相晶格参数下各失配平面结构的失配能

4. 总结与展望

本案例中，作者采用激光网状成型技术制备了AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金。通过扫描电镜和原子探针层析成像对材料进行了检测，确定了材料的成功合成。随后作者分别在室温、400°C、600°C和800°C下对AM HEA材料进行了应变速率压缩试验，了解了AM EHEA在室温和高温（HT）下的变形行为。最后利用DFT方法计算了扩散多层失配（DMLF）模型，并解释了变形中位错滑移的机理，这些信息对于探索新型Ni基共晶高熵合金材料的设计和优化具有重要的指导意义。

参考文献：

DOI: https://doi.org/ 10.1007/s11661-022-06777-0