基于原子占位研究难熔高熵合金的精细结构、力学性质与间隙扩散

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难熔高熵合金应用前景广阔,除了作为高温结构材料,还可望用于阻尼合金、超导、生物医学及核反应堆等领域。但目前该领域以实验研究为主,从理论上进行定量化研究报道较少,对高熵合金基本特性缺乏深刻理解。本论文基于文献调研和物化数据分析,选取10种BCC结构难熔高熵合金作为研究对象,包括:TiZrHfNbMox(x=0,0.5,1.0,1.5),TiZrHfNbV,MoNbTiVZrx(x=0,0.5,1.0,1.5),MoNbTiVTa;通过计算准简谐近似理论框架下的声子热力学,建立了难熔高熵合金端基热力学数据库,据此计算合金原子在亚晶格上的占位分数(SOF);基于占位分数,构建了各合金的原子分布模型;在此基础上,研究合金的精细结构、热力学函数、力学性质和间隙原子扩散行为。结果表明,可通过改变组元含量来定量化调控高熵合金的结构与性能,主要结论如下。精细结构和热力学函数的研究结果表明:低温下,TiZrHfNb中Zr、Hf、Nb分别倾向占据1a、1b、1a亚晶格,Ti占位倾向不明显;MoNbTiV中Mo、Nb、V分别倾向占据1b、1a、1a亚晶格,Ti占位倾向不明显;温度升高,占位倾向明显的原子向占位无序转变;随着Mo含量增加,TiZrHfNbMox(x=0,0.5,1.0,1.5)晶格畸变先减小后增加,当x=1时,晶格畸变最小,相对晶格畸变为6.062%;随着Zr含量增加,MoNbTiVZrx(x=0,0.5,1.0,1.5)的晶格畸变不断增加,当x=0时,晶格畸变最小,相对晶格畸变为3.903%。计算出TiZrHfNb和MoNbTiV的实际构型熵,均小于Boltzmann理想混合熵(11.526 J?mol-1?K-1)。弹性力学性质的计算结果表明:合金均为力学性能稳定的韧性材料;本论文基于原子占位倾向性建立原子分布模型的SOF法,计算出的弹性模量与弹性各向异性系数AZ均较文献中的其他方法更接近实验值。对于TiZrHfNbMox(x=0,0.5,1.0,1.5),随着Mo含量增加,在力学性质方面,力学稳定性和弹性模量提高,韧塑性降低,表明合金金属键强度逐渐增加,抗变形能力和刚度增加,与实验报道一致;在弹性各向异性方面,各向异性先减弱后增加,当x=1.0时,AZ=0.88,各向异性最弱。对于MoNbTiVZrx(x=0,0.5,1.0,1.5),随着Zr含量增加,在力学性质方面,与前述力学性质变化规律相反;在弹性各向异性方面,各向异性逐渐减弱,当x=1.5时,AZ=0.57,各向异性最弱。间隙扩散的研究结果表明:O原子在TiZrHfNbMox(x=0.5,1.0,1.5)八面体间隙中扩散由易到难排序为:TiZrHfNbMo>TiZrHfNbMo1.5>TiZrHfNbMo0.5,与合金平均晶格畸变大小排序相反,由此推测,组成元素相同的高熵合金,晶格畸变越小,越容易扩散;H、N、O三种间隙原子在MoNbTiV八面体间隙中扩散由易到难排序:H>N>O,与三种间隙原子的质量,电负性大小排序相反,由此推测,原子质量越小,电负性越弱,越容易发生间隙扩散。
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