《Nature Commun》：高性能轻量化高熵合金的高通量设计

为了开发负担得起的轻质高温材料，来替代镍基高温合金，人们在设计高级铁素体高温合金方面有显著的提高。然而，目前开发的铁素体高温合金高温强度较低，限制了其应用。

在此，来自美国Computherm有限责任公司的Chuan Zhang & 美国国家能源技术实验室的Michael C. Gao& 美国田纳西大学的Peter K. Liaw等研究者报道了，使用基于CALPHAD的高通量计算方法来设计轻质、高强、低成本的用于高温应用的高熵合金。相关论文以题为“High-throughput design of high-performance lightweight high-entropy alloys”发表在Nature Communications上。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-021-24523-9

航空航天和化石能源领域，得益于数十年来镍基高温合金的发展。然而，要获得进一步的效率收益和环境友好，就需要开发廉价、轻、强特性的新材料。由于在高温下具有良好的抗蠕变性能和相对较低的密度，人们在开发具有有序B2和/或L2₁析出相的无序体心立方(BCC)基体的新型铁素体高温合金方面，做出了大量的努力。然而，这些新兴的析出强化铁素体合金，仍存在高温强度低、重量轻等缺点，限制了其应用。为了克服这些问题，需要新的合金设计策略。

最近，高熵合金(HEAs)或多主元素合金(mpea)的概念，彻底颠覆了传统的合金设计策略，使用多主成分(≥5)而不是一个或两个关键成分。由于多种原子大小不同的元素的存在，HEAs中的原子往往偏离其理想晶格位，产生严重的局部晶格畸变，阻碍位错运动，导致强化效果显著。为了追求更高的强度，在HEAs的设计中，尝试了在保持中到高熵矩阵的同时，形成共格金属间化合物沉淀。此外，HEAs中可能存在低晶格错配，从而降低析出的形核垒，从而使析出物具有较高的数密度。这些效应证明了HEAs的概念是一种新型沉淀强化轻质低成本材料用于高温应用的新途径。

在这类材料的开发中，关键的目标导向的设计策略是先决条件，包括廉价的原材料，低密度，高熔点(T_m)，良好的抗氧化性，大的蠕变抗力，高强度和可接受的延展性等等。因此，合理地选择化学成分，考虑这些必要因素是非常重要的。研究者此前的工作发现了Al-Cr-Fe-Mn-Ti体系中潜在的L2₁沉淀强化轻量化HEAs (LWHEAs)，而脆性C14 Laves相的形成，由于C14 Laves相与BCC基相的晶体结构和热膨胀系数的不同，使C14 Laves相的裂纹倾向增大，使其性能恶化。因此，探索合适的化学成分而不形成有害的金属间相是开发所需材料的关键。然而，巨大的构图空间为有效筛选合适的构图提出了巨大的挑战。

实验试错的方法显然是不合适的，因为在巨大的成分空间中实验筛选合适的合金是非常昂贵且费时的。这种趋势甚至适用于五元体系，更不用说高阶(n≥5)多组分体系，如Al-Cr-Fe-Mn-Ti体系。幸运的是，理论上，高效的计算筛选方法和工具的发展，可以加快发现有前途的HEAs的步伐。

在此，研究者利用基于CALPHAD的高通量计算工具，有效地探索Al-Cr-Fe-Mn-Ti体系，发现了新型沉淀强化HEAs。通过高通量筛选，从数千种初始成分中发现了析出强化轻量高熵合金，在室温和高温下，与其他同类合金相比，其强度增强。对其强化机制和有序-无序转变的成功案例和失败案例的实验和理论理解，进一步提高了所发现的合金系统热力学数据库的准确性。该研究表明，将高通量筛选、多尺度建模和实验验证相结合，可以有效地促进由高熵合金概念调整的先进沉淀强化结构材料的发现。

图1 Al-Cr-Fe-Mn-Ti体系中最佳合金成分的高通量筛选。

图2 发现了的LWHEAs微观结构信息。

图3 发现了的LWHEAs力学响应。

图4 合金1和7的有序-无序转换。

图5 合金1的第一性原理计算。

图6 L2₁结构的原子位置占据和形态演化示意图。

综上所述，研究者对发现的LWHEAs的分析结果表明，纳米级L2₁沉淀强化BCC组织对合金化学成分的敏感性。因此，在合金设计过程中，需要仔细研究与L2₁析出相的临界有序温度和形貌有关的合金化学成分。然而，目前的高通量预测在Al < 25 at.%的成分和Mn > 15 at.%与其他元素的内容不变范围内是有效的。特别是，当HTC与多组分L2₁结构的原子占用率及其相演化规律相结合时，它可以变得更有效率。

因此，高通量设计和对已发现的LWTHEs的基本理解，对多组分系统来说，将加快发现有前途的HEAs的步伐。（文：水生）