[发明专利]一种间隙原子在高熵合金中的扩散行为的计算方法

说明书

本发明涉及一种间隙原子在高熵合金中的扩散行为的计算方法。包括：定量化计算出合金元素在亚晶格上的占位倾向性，建立原子占位有序化晶胞模型；对晶胞模型先进行体积优化和后进行原子位置优化；通过比较间隙原子占据八面体或四面体间隙位置时体系的总能，根据能量最低原理，总能越低则结构越稳定，确定间隙原子占据的稳定态位置；设计扩散路径，让原子沿指定方向进行扩散；确定扩散路径后，使用NEB方法在两个相邻间隙撒点计算；计算原子在高熵合金间隙中的扩散行为，获得不同扩散路径上的扩散能垒、扩散系数等参数。本发明普适性强，为定量化研究高熵合金间隙固溶原子扩散是否存在迟滞扩散效应，及高熵合金性能计算奠定了坚实的基础。

技术领域

本发明属于间隙原子在金属材料中扩散的计算领域，具体涉及一种间隙原子在高熵合金中的扩散行为的计算方法。

背景技术

金属材料与人类社会发展密切相关，大多数合金系统都是以一种金属元素为主,添加不同合金元素而产生不同的合金,例如以Al为主的铝合金,以Fe为主的钢铁材料，以Ti为主的钛合金等。与传统的合金设计概念不同，高熵合金并非仅基于一个或两个元素，而是包含至少五个相等或近似相等原子百分比的主要元素，溶质和溶剂之间没有明显差异。一些高熵合金由于其高强度，抗疲劳，抗断裂性，热稳定性，高延伸率，抗辐照性等优异性能，在许多领域的开发和应用上都扮演了重要角色。目前已成功应用于冶金材料，催化剂，磁材料和核材料等。高熵合金中组成元素种类和含量的多样性，其合金化过程机理复杂，关于“合金成分—工艺—结构—性能”四要素之间的内在联系尚未有精确的理解和掌握。材料科学界，认为高熵合金具有四大效应，即热力学上的高熵效应，结构上的晶格畸变效应，动力学上的迟滞扩散效应，性能上的鸡尾酒效应，这些效应决定了高熵合金的结构与性能之间的内在联系，但也引来广泛争议，大部分文献均为“炒菜式”的开发研究，机理研究报道极少。引起的争议的主要原因是臆测较多，缺乏定量化描述。

固体中的扩散是物理冶金和材料科学的一个重要课题。扩散过程在金属、合金、陶瓷、半导体、玻璃和聚合物加工过程中发生的许多微观结构变化的动力学过程中起着关键作用。典型的例子有新相的形核、扩散相变、第二相的沉淀和溶解、再结晶、高温蠕变和热氧化。直接的技术应用包括微电子器件制造过程中的扩散掺杂、电池和燃料电池用固体电解质、钢的渗碳或氮化表面硬化、扩散连接和烧结。研究固体中的扩散对于理解材料的性质，如加工和操作中的相变、偏析和腐蚀具有重要意义。可靠的扩散数据对高熵合金材料的成分和制造工艺的设计至关重要。

关于高熵合金中原子在亚晶格上的占位有序化行为，考虑到组成高熵合金的各种组成原子的大小、电子结构、晶体结构，以及不同原子之间的结合能各不相同，有的甚至存在显著差异。因此，不同种类的原子不可能在晶格上呈现理想混合，必然存在一定的占位倾向性，即有的原子倾向于占据一种亚晶格，而有的原子倾向于占据另一种亚晶格，即所谓的占位有序化行为。从统计意义进行定量化描述，占位有序化行为用占位分数(也称为占位概率)来表达。通过占位分数的计算，不仅可以定量化描述不同种类原子在不同亚晶格上的占位倾向性，还可以进一步计算高熵合金体系的构型熵，即知道所谓的高熵效应的熵实际上有多“高”，改进以往文献中采用理想混合来计算高熵效应的不足之处。目前高熵合金中的扩散研究多采用实验方法进行研究，有实验结果表明CoCrFeMnNi合金的扩散系数确实低于传统面心立方金属中的扩散系数。相应地，高熵合金的活化能高于参考金属中的活化能。但是针对间隙原子在高熵合金中的扩散，由于实验条件复杂，使得许多学者望而生畏。目前还没有通过理论计算来定量化描述间隙原子在高熵合金中的扩散，特别是H、O、C、N等原子在金属中的扩散，是目前研究的热潮，对金属材料的抗氧化性、耐腐蚀性、储氢等性能研究奠定良好的基础。高熵合金作为新发展的高性能金属材料，研究间隙原子在高熵合金晶格中的扩散，为探索高熵合金的更多应用潜能提供了优良契机。

发明内容

本发明的目的在于提供一种间隙原子在高熵合金中的扩散行为的计算方法，该方法节约研究成本、提高研究效率，为进一步定量化研究高熵合金的其他效应提供新思路，从而加速高熵合金新材料的研究开发。