高熵合金(HEAs)的開發極大地激發了合金設計政策。通過将多個主元素合并到簡單固溶體中，導緻HEAs在原子水準上呈現無序狀态。研究發現，HEAs的大部分特殊性質與其無序的化學結構有關，包括HEAs在内的無序合金在高溫下的強度通常較低，這極大地限制了其應用。另一方面，L12型有序金屬間化合物具有較高強度，通常用作正常高溫合金的強化成分。L12強化高溫合金在高溫(750℃以上)下表現出優異的力學和化學性能，已廣泛應用于瓦斯輪機、超臨界電廠和柴油機中。結合HEAs和L12有序金屬間化合物的優點，L12沉澱強化HEAs已經被開發出來，并表現出了優異的強度-延性協同效應，使其成為各種應用中有前途的結構材料。在L12強化的HEAs中，強化效果強烈依賴于相組成和析出相的變形行為。由于HEA基體的成分複雜，引入的L12析出相也表現出成分變化。L12金屬間析出相的析出機制和變形機理還不清晰，限制了L12沉澱強化HEAs的進一步發展。
香港城市大學的研究人員探讨了L12型多組分金屬間化合物(MCIs)的位置偏好和變形機理。相關論文以題為“Elemental partitions and deformation mechanisms of L12-type multicomponent intermetallics”發表在Acta Materialia。
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https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117238
本文選擇(Ni,Co,Fe)3(Al,Ti,Fe)合金作為模型系統。對于這樣一個具有部分無序結構的系統，關鍵是闡明每個合金元素在強化和變形機制中的作用。是以還分析了從(Ni,Co,Fe)3(Al,Ti,Fe)衍生出來的六種化合物，包括(Ni,Co)3Al、(Ni,Fe)3Al-Fe13、(Ni,Fe)3Al-Fe7、Ni3(Al,Ti)、Ni3(Al,Fe)-Fe13、Ni3(Al,Fe)-Fe7。
研究發現Ti傾向于占據Al亞晶格，而Co和Fe原子主要分布在Ni亞晶格中。根據已建立的元素配置設定趨勢，構造特殊的準随機結構。通過DFT計算研究這些MCIs的變形機理，得到了一般平面層錯能，包括γSPF和γUPF。幾何結構和電子結構分析表明，TiAl在提高平面斷層能中起着重要作用，因為TiAl會降低MCI對平面斷層的适應性。相反，Co、Ni通過提高适應性降低了MCIs的γSPF。FeNi和FeAl對平面斷層的适應能力有一定的改變，對γSPF變化影響不大。
圖1 完美L12有序Ni3Al(原始)、反相邊界(APB)、複雜層錯(CSF)和超晶格内禀層錯(SISF)的結構模型
圖2(a-e)相對能量、(f-j) 1NN和(k-o) 2NN SRO參數随DFT-MC步長增加的變化
圖3 (a) Ni3Al中APB、CSF和SISF的穩定和不穩定平面層錯能(γSF和γUPF)。(b) APB、CSF和SISF一般平面斷層的原子軌迹
圖4考慮MCIs的APB、CSF和SISF能量(γSPF，上排)及其平均值(下排)的分布
圖5 斷裂帶不同成分濃度γSPF變化趨勢
本文基于第一性原理計算，研究了多組分HEAs中重要強化組分(Ni,Co,Fe)3(Al,Ti,Fe)多組分金屬間化合物的元素配置設定和變形機理。為了闡明每個合金元素的作用，分析了(Ni,Co,Fe)3(Al,Ti,Fe)及其派生的六個L12子系統。DFT-MC模拟結果表明，APB和CSF層引入的幾何結構和電子結構變化局限于斷層附近。SISF的形成減輕了整體結構的幾何結構和電荷密度重新分布的程度。本文通過确定不同元素和不同金屬間化合物對MCIs局部幾何結構和電子結構的影響，明确MCIs變形行為的基本了解，為合理設計有序析出強化HEAs鋪平了道路。（文：破風）
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