优博微展2022｜栾亨伟：高熵合金的相稳定性研究

本文版权归原作者所有，未经授权，不得转载

高熵合金的相稳定性研究

Study of the phase stability of high-entropy alloys

作    者：栾亨伟          

指导教师：姚可夫

培养院系：材料学院       

学    科：材料科学与工程

读博感言：创新是科学研究的最大意义

研究背景/选题意义/研究价值

高熵合金是一类新型金属材料，具有优异的力学性能和功能特性（如催化性能、抗辐照性能等）。组织决定性能，因此高熵合金的相稳定性和相转变是重要科学问题。目前高熵合金的相稳定性研究有如下两个关键问题：
1. 为什么很多高熵合金不符合“高混合熵” 模型的预测？其中合金元素数量对金属间化合物析出和调幅分解的影响有何普遍规律?
2. 高熵合金中的熵有何特殊作用？是否存在由熵所诱导的特殊相变？

主要研究内容

论文首先研究了具有成分无序的高熵单相合金的两种分解途径，即金属间化合物析出和调幅分解。(1)提出了解释高熵合金中金属间化合物析出的微扰模型，跳出了“高混合熵”模型的框架，解释了高熵合金单相固溶体普遍热力学不稳定的原因。(2)发现高熵合金中普遍存在发生调幅分解的可能，并提出由于高熵效应，会诱导多组元单相固溶体分解成双相的“双相分解”，这一认识有助于解释实验中高熵合金中所发现的相的数量普遍小于吉布斯相律所给出的相的数量的可能上限。
此外，针对兼具成分无序和结构无序的高熵非晶合金的相稳定性，发现并研究了Nb20Ni20Zr20Ti20Co20等高熵非晶合金中的玻璃-玻璃转变现象，揭示了其中剧烈的短程和中程序上的原子重排特征，以及转变前后材料的模量、硬度和热稳定性的显著变化。创新性地提出了熵在玻璃玻璃转变现象中的作用，为进一步调节玻璃状态和性质开辟了一条新途径，对于高熵非晶合金的潜在应用具有重要的意义。

主要创新点

1. 提出了高熵合金相稳定性的微扰模型，计算了高熵合金中金属间化合物析出的普遍规律和元素数量、熵、焓、温度的作用，解释了“高混合熵”理论的问题；

2. 对高熵合金中调幅分解的普遍规律进行了计算，解释了元素数量、熵、焓、温度的作用，解释了实验中双相分解的主要原因；

3. 在高熵非晶合金中发现了显著的玻璃-玻璃转变现象，并伴随着巨大的热释放、短程和中程结构的明显变化、以及硬度、模量、热稳定性的普遍提升。提出了熵在诱导玻璃-玻璃转变现象中的作用，并据此分析在另外两种高熵非晶合金中也发现了类似的玻璃-玻璃转变。

代表性创新成果

1. Luan H, Zhang X, Ding H, et al. High-entropy induced a glass-to-glass transition in a metallic glass [J]. Nature Communications, 2022, 13:2183.

2. Luan H, Sun Y, Dong X, et al. High-quality graphene from the surface of CrFeCoNiC high-entropy alloy[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2022, 889:161712.

3. Luan H, Shao Y, Zhang X, et al. Effect of TiC Addition on the High-Temperature Hardness and the Carbide Stability in Al0.2CoCrFeNi1.5Ti High-Entropy Alloy[J]. Russian Journal of Non-Ferrous Metals, 2021, 62:708-715.

4. Luan H W, Shao Y, Li J F, et al. Phase stabilities of high entropy alloys[J]. Scripta Materialia, 2020, 179:40-44.

5. 栾亨伟, 赵威, 姚可夫. 高熵合金的力学性能及功能性能研究进展[J]. 材料热处理学报, 2020, 41:1-11.

何为优博微展？

优博微展是清华大学应届优秀博士毕业生论文精华的呈现，由清华大学研究生院联合各院系收集并发布，旨在对我校博士研究生的阶段性学术成果和在校时期科研成绩进行简要、集中展示。

作者、图片：栾亨伟

组稿、校阅：楚若冰

统筹：研究生院培养办

编辑与设计：研究生院综合办