[发明专利]一种基于组元间偏聚情况进行高熵合金成分设计的方法有效

专利信息
申请号: 201610524417.7 申请日: 2016-07-01
公开(公告)号: CN105950946B 公开(公告)日: 2017-11-21
发明(设计)人: 湛永钟;叶海梅;唐铖锽;梁江;王肖铮;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
主分类号: C22C30/00 分类号: C22C30/00;C22C30/02;C22C1/02
代理公司: 南宁启创知识产权代理事务所(特殊普通合伙)45122 代理人: 谢美萱
地址: 530004 广西*** 国省代码: 广西;45
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摘要:
搜索关键词: 一种 基于 组元间偏聚 情况 进行 合金 成分 设计 方法
【说明书】:

技术领域

发明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。

发明内容

本发明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。

本发明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,本发明中|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。

本发明的工作原理如下:

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