CN112164431A - 一种多基元合金的设计方法及*** - Google Patents
一种多基元合金的设计方法及*** Download PDFInfo
- Publication number
- CN112164431A CN112164431A CN202011011915.4A CN202011011915A CN112164431A CN 112164431 A CN112164431 A CN 112164431A CN 202011011915 A CN202011011915 A CN 202011011915A CN 112164431 A CN112164431 A CN 112164431A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- alloy
- performance
- target
- content
- criterion
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 64
- 238000013461 design Methods 0.000 title claims abstract description 45
- 229910001325 element alloy Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 31
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims abstract description 224
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims abstract description 220
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims abstract description 36
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 21
- 238000013090 high-throughput technology Methods 0.000 claims abstract description 17
- 230000008569 process Effects 0.000 claims abstract description 11
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 5
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 claims description 26
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 claims description 18
- 238000005275 alloying Methods 0.000 claims description 9
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims description 8
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims description 7
- 230000009467 reduction Effects 0.000 claims description 5
- 238000005477 sputtering target Methods 0.000 claims description 5
- 238000011056 performance test Methods 0.000 claims description 3
- 238000007405 data analysis Methods 0.000 claims description 2
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 abstract description 9
- 238000012216 screening Methods 0.000 description 16
- 239000006104 solid solution Substances 0.000 description 15
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 9
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 9
- 239000000463 material Substances 0.000 description 8
- 229910001257 Nb alloy Inorganic materials 0.000 description 6
- 230000008859 change Effects 0.000 description 6
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 5
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 5
- 239000013077 target material Substances 0.000 description 5
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 4
- 229910000756 V alloy Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000011161 development Methods 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 238000001755 magnetron sputter deposition Methods 0.000 description 3
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 3
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 3
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 3
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 2
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 description 2
- 239000010960 cold rolled steel Substances 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 2
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 2
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 2
- 229910002058 ternary alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 1
- 230000007123 defense Effects 0.000 description 1
- 230000007812 deficiency Effects 0.000 description 1
- 238000012938 design process Methods 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 description 1
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 1
- 238000013537 high throughput screening Methods 0.000 description 1
- 238000007373 indentation Methods 0.000 description 1
- 229910000765 intermetallic Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 229920002120 photoresistant polymer Polymers 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 238000011946 reduction process Methods 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G16—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR SPECIFIC APPLICATION FIELDS
- G16C—COMPUTATIONAL CHEMISTRY; CHEMOINFORMATICS; COMPUTATIONAL MATERIALS SCIENCE
- G16C60/00—Computational materials science, i.e. ICT specially adapted for investigating the physical or chemical properties of materials or phenomena associated with their design, synthesis, processing, characterisation or utilisation
-
- G—PHYSICS
- G16—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR SPECIFIC APPLICATION FIELDS
- G16C—COMPUTATIONAL CHEMISTRY; CHEMOINFORMATICS; COMPUTATIONAL MATERIALS SCIENCE
- G16C20/00—Chemoinformatics, i.e. ICT specially adapted for the handling of physicochemical or structural data of chemical particles, elements, compounds or mixtures
- G16C20/20—Identification of molecular entities, parts thereof or of chemical compositions
-
- G—PHYSICS
- G16—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR SPECIFIC APPLICATION FIELDS
- G16C—COMPUTATIONAL CHEMISTRY; CHEMOINFORMATICS; COMPUTATIONAL MATERIALS SCIENCE
- G16C20/00—Chemoinformatics, i.e. ICT specially adapted for the handling of physicochemical or structural data of chemical particles, elements, compounds or mixtures
- G16C20/30—Prediction of properties of chemical compounds, compositions or mixtures
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Computing Systems (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
- Bioinformatics & Computational Biology (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Physical Vapour Deposition (AREA)
Abstract
本发明提供了一种多基元合金的设计方法及***，涉及合金材料设计技术领域，能够提高实验的有效性，避免实验结果的片面性和不完整性，准确性高、简便高效；该方法步骤包括：S1、根据多基元合金的相形成准则，确定目标合金体系；S2、采用高通量技术制备若干属于S1确定的目标合金体系但成分不同的样品，并对样品进行性能测定，得到合金性能随合金元素含量的变化趋势；S3、根据合金性能随合金元素含量的变化趋势，以性能为导向，确定合金的最优成分组合。本发明提供的技术方案适用于多基元合金设计的过程中。
Description
【技术领域】
本发明涉及合金材料设计技术领域，尤其涉及一种多基元合金的设计方法及***。
【背景技术】
近年来，材料的发展呈现“熵增加”的趋势，多基元材料逐渐成为合金材料设计和研究的热点。多基元合金在工程、国防、民用、航空航天及生物医学领域具有广泛的应用前景。相较于传统合金，多基元合金的成分设计更为复杂和多样，需要验证的合金体系更为庞大；此外，多基元合金的体系的混乱度与性能之间为非线性关系，即无法通过混合熵值来进行结构及性能的有效预测，这使得高效、准确地筛选理想合金成分变得更加困难。
针对多基元合金的成分设计，传统的方法为“试错法”，即根据自己的经验进行合金成分的组合，单次实验通常只能制备一个单一的成分合金。同时，传统的合金成分设计过程中，往往是通过调节某一特定组成元素的含量，设计有限个合金成分来(如AlxCoCrFeNi合金体系中的平行实验组，取x＝0.25、0.5、0.75、1)，这种方法耗时费力、效率低下。此外，由于传统试错法的局限性，在设计的一组实验中只能获得几个特定材料组分。因此，实验所得的性能或数据只可能是该成分区域内的相对优的值，而非整个体系的最优值，这不可避免地导致了研究结果的不完整性和偶然性。
因此，有必要研究一种多基元合金的设计方法及***来应对现有技术的不足，以解决或减轻上述一个或多个问题。
【发明内容】
有鉴于此，本发明提供了一种多基元合金的设计方法及***，能够提高实验的有效性，避免实验结果的片面性和不完整性，准确性高、简便高效。
一方面，本发明提供一种多基元合金的设计方法，其特征在于，所述设计方法的步骤包括：
S1、根据多基元合金的相形成准则，确定目标合金体系；
S2、采用高通量技术制备若干属于S1确定的目标合金体系但成分不同的样品，并对样品进行性能测定，得到合金性能随合金元素含量的变化趋势；
S3、根据合金性能随合金元素含量的变化趋势，以性能为导向，确定合金的最优成分组合。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述设计方法的步骤还包括：
S4、以辅助性能为导向，对所述最优成分组合进行熵调控，增加或减少合金元素的种类和/或含量，得到具有辅助性能的成分组合。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述相形成准则为ΔHmixδ准则、Ω判据、VEC判据和γ参数中的一种或多种。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤S1中确定目标合金体系的具体内容包括：
S11、预设合金的元素种类和各元素的含量范围；
S12、利用多基元合金的相形成准则对预设的合金元素种类和含量范围进行验证；满足相形成准则，目标合金体系设计完成；否则，进入下一步；
S13、重新预设各元素的含量范围，利用多基元合金的相形成准则对合金元素种类和重新预设的含量范围进行验证；满足相形成准则，目标合金体系设计完成；否则，循环本步骤；若该合金元素种类下不存在满足相形成准则的含量范围，则返回S11。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述高通量技术具体为在掩膜板存在的情况下采用多靶进行共溅射。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述掩膜板为物理掩膜板或化学掩膜板。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤S3的具体内容包括：
S31、根据合金性能随合金元素含量的变化趋势，确定最优性能对应的合金元素成分范围；
S32、判断S31中的合金元素成分范围是否为制备的样品；若是，则以此合金元素成分范围作为最优成分组合；否则，进入下一步；
S33、采用高通量技术制备若干属于该合金元素成分范围的样品，并对样品进行性能测定，得到新的合金性能随合金元素含量的变化趋势，以新的变化趋势为对象返回S31。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，合金的元素种类大于5时，对进行降元处理，使制备样品时的溅射靶数量在5个以内。
另一方面，本发明提供一种多基元合金的设计***，其特征在于，所述设计***适用于如上任一所述的设计方法；
所述设计***包括：
合金体系设计模块，用于根据多基元合金的相形成准则，确定目标合金体系；
样品制备模块，用于采用高通量技术制备合金样品；
性能测试模块，用于对合金样品进行性能测试；
数据分析模块，用于对性能测试的数据进行分析，得到合金性能随合金元素含量的变化趋势，并以性能为导向，确定合金的最优成分组合；
熵调控模块，用于根据辅助性能对合金的最优成分组合进行熵调控，即进行“微合金化”处理。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述样品制备模块为含有掩膜板的共溅射设备。
与现有技术相比，本发明可以获得包括以下技术效果：本发明的设计方法能够提高实验的有效性，避免实验结果的片面性和不完整性，准确性高、简便高效；本发明将“相形成”准则与高通量技术相结合，可实现目标合金体系的精准设计，同时对合金体系可实现多成分的单次并行制备，提高合金开发的高效性；采用高通量技术，单次几乎可制备得到包含目标合金体系中所有的合金成分，基于获取的目标合金体系中多个不同成分样品的材料库，能够在更大的成分范围中筛选具有优异性能的成分，避免了实验结果的片面性和不完整性。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。
【附图说明】
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明一个实施例提供的多基元合金设计方法的流程示意图；
图2是本发明一个实施例提供的采用高通量技术制备多个目标合金体系样品的示意图；
图3是本发明实施例1提供的采用高通量技术制备得到的多个目标合金体系样品的成分分布图；
图4是本发明实施例1制备的三元合金体系的杨氏模量变化趋势图；
图5是本发明实施例1优选成分(Zr52Ti34Nb14)制备成块体后的XRD图；
图6是本发明实施例2高通量制备所得部分样品的相结构图。
【具体实施方式】
为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。
应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
本发明提供一种多基元合金的设计方法，包括以下步骤：
步骤1：根据多基元合金的相形成准则，进行多基元合金体系的设计，得到目标合金体系；
相形成准则为ΔHmixδ准则、Ω判据、VEC判据和γ参数中的一种或多种；多基元合金体系的设计包括合金元素的种类设计和合金元素的含量设计；
该步骤的内容包括：1、先预设合金元素的种类和含量范围，然后利用多基元合金的相形成准则对预设的合金元素种类和含量范围进行验证；2、若预设的合金元素的种类和含量范围满足相形成准则，则完成多基元合金体系的设计；若预设的合金元素的种类和含量范围不满足相形成准则，则重新设计合金元素的含量范围，直至满足相形成准则，完成多基元合金体系的设计；若不存在满足相形成准则的元素含量范围，则重新预设合金元素的种类和含量范围，直至满足相形成准则，完成多基元合金体系的设计。
当已经有明确的合金元素种类要求时，本发明优选按要求的元素种类进行后续合金元素含量的设计；当未明确给出合金元素种类要求时，本领域技术人员根据对多基元合金结构的要求先进行合金元素种类的预设。例如：要求设计一组具有低杨氏模量的体心立方固溶体结构的Zr-Ti-Nb合金(相当于已经限定了体系的元素组成，具体为：Zr、Ti、Nb)，此时，在给出的体系的元素种类基础上进行设计即可。又如要求设计一组具有低杨氏模量的体心立方固溶体结构的Zr系合金(未明确元素的具体种类)，此时，本领域技术人员熟知在Zr体系中添加Ti和Nb元素往往可以形成固溶体，预设合金体系的元素组成为Zr-Ti-Nb即可。
预设合金元素的种类后，预设合金元素的含量范围。本发明对合金元素含量范围的预设方法没有特殊要求，尽量确保预设的含量范围较大，从而有利于提高最优成分筛选的范围。
当合金元素种类在5种以上时，由于后续高通量制备采用的磁控溅射设备含有5个以上溅射靶的较少，不可能每一种合金元素对应一种溅射靶材，因此优选根据实际需要的靶材数量将合金体系进行相应的降元处理。本发明对所述降元处理的过程没有特殊要求，采用本领域熟知的降元过程即可。例如：针对Cr-Fe-Ta-W-V系合金元素含量范围的预设，后续高通量制备采用两个合金靶制备，所以可以将Cr-Fe-Ta-W-V体系预设为伪二元,如Cr-Fe-V与TaW，合金的成分可预设为(Cr0.33Fe0.33V0.33)x(Ta0.5W0.5)100-x。
预设合金元素的种类和含量范围后，再利用多基元合金的相形成准则对预设的合金元素种类和含量范围进行验证。在本发明中，相形成准则为ΔHmixδ准则(混合焓-原子半径差准则)、Ω判据(混合熵-混合焓-原子尺寸差判据)、VEC判据(价电子浓度判据)和γ参数(考虑原子堆垛错配度以及拓扑不稳定性的原子尺寸差参数)中的一种或多种，但不限于上述几种，可根据实际需求进行选择。
多基元合金体系的相结构具体可以为但不局限于单一固溶体相、双相、固溶体相加金属间化合物相、金属间化合物相、非晶结构。
若预设的合金元素的种类和含量范围满足相形成准则，说明合金元素的种类和含量范围设计合理，则完成多基元合金体系的设计；若不满足相形成准则，说明预设的合金元素种类或元素含量范围不合理。本发明优先重新设计各元素的含量范围，直至满足相形成准则，完成多基元合金体系的设计；若不存在满足相形成准则的含量范围，则说明元素种类预设不合理，则重新预设合金元素的种类和含量范围，直至满足相形成准则，完成多基元合金体系的设计。本发明完成设计后得到的目标合金体系中多个元素的含量为范围值，也即本发明的目标合金体系是由若干个不同成分的合金组成。
步骤2：得到目标合金体系后，采用高通量技术单次制备目标合金体系的多个不同成分样品，对制得的多个不同成分样品的目标性能进行测定(这里测定的是样品本身的实际性能，在某些有应用前提下的材料设计中，如对杨氏模量、硬度、相结构、耐蚀性能等等有特殊要求的情况下，我们会选取目标要求的性能作为筛选条件，进行性能测试)，并对测得的目标性能和多个不同成分样品中元素含量之间的关系进行分析，得到目标合金体系目标性能随合金元素含量的变化趋势；
高通量技术具体为在掩膜板存在的情况下采用多靶进行共溅射。掩膜板为物理掩膜板或化学掩膜板；共溅射优选为共磁控溅射。
当对样品的尺寸精度要求较高(如要求样品尺寸精度为微米级以下)时，优选采用化学掩膜板；其他情况下，优选采用物理掩膜板。本发明对物理掩膜板和化学掩膜板的具体种类没有特殊要求，能够保证目标合金体系样品的并行制备即可，具体的：化学掩膜板可以为光刻胶，物理掩膜板可以为不锈钢。本发明借助掩膜板使得各个样品单元分离且独立，即掩膜板在共溅射过程中起到遮挡基板的作用，从而保证得到的各个样品单元分离且独立。
本发明对进行共溅射的设备没有特殊要求，能够实现多靶的共溅射即可。本发明对共溅射时各靶材的具体材质不做特殊限定，本领域技术人员根据目标合金体系选择对应的靶材即可。例如：要制备Zr-Ti-Nb合金，选择金属Zr、金属Ti和金属Nb作为靶材即可。本发明对共溅射的条件不做特殊限定，本领域技术人员可通过调节各个靶材的溅射功率、靶材距离基片的距离以及靶材的角度等，对各个样品的成分范围进行调控，进而单次可制备得到成分范围较宽的目标合金体系内的多个样品。
采用高通量制备技术相对于现有的设计单一变量进行单一成分的制备而言，单次几乎可制备得到包含目标合金体系中所有的合金成分，合金的成分范围更广，避免了实验结果的片面性和不完整性，准确性更高。
本发明对目标合金体系的多个不同成分样品的数量不做特殊要求，本领域技术人员根据实际需求进行选择即可，具体的：目标合金体系中不同成分样品的数量越多，则制备的合金样品成分范围越宽，越有利于后续的分析和筛选。在本发明的实施例中，具体为16或26个。本发明对样品的形状和尺寸没有特殊限定，能够实现样品的顺利制备和性能的顺利检测即可。在本发明的实施例中，单个样品的尺寸为10mm×10mm，相邻样品间的间距为20mm。本发明制得的目标合金体系的多个不同成分样品为薄膜样品，薄膜厚度优选为1～2μm，更优选为1～1.2μm。
制得目标合金体系的多个不同成分样品后，本发明对制得的多个不同成分样品的目标性能进行测定，并对测得的目标性能和多个不同成分样品中元素含量之间的关系进行分析，得到目标合金体系目标性能随合金元素含量的变化趋势。本发明对测定的方法不做特殊要求，采用本领域熟知的方法进行测定即可。在本发明中，所述分析优选为软件分析。本发明对软件分析没有特殊的限定，采用本领域熟知的软件进行分析即可，具体可以为但不局限于MATLAB软件。在本发明中，目标性能优选为一种。
步骤3：根据所述目标合金体系目标性能随合金元素含量的变化趋势，以目标性能作为筛选指标，进行最优成分的筛选；本发明对筛选的过程没有特殊要求，直接将目标性能最优的合金成分作为最优成分即可。
进行最优成分的筛选时，若目标合金体系目标性能随合金元素含量的变化趋势显示最优目标性能对应的成分虽处于目标合金体系的成分范围中，但未处于已制备的目标合金体系样品中，本发明优选采用高通量技术制备最优目标性能对应成分范围的合金样品，然后以目标性能作为筛选指标，从新制备的合金样品中筛选出最优成分，即可完成多基元合金的设计。采用高通量技术制备最优目标性能对应成分范围的合金样品，进一步确保了成分设计的准确性。
当对多基元合金还存在其他辅助性能要求时，筛选得到最优成分后还包括：以辅助性能为指标，对最优成分进行熵调控，增加或减少合金化元素的种类或含量。
本发明将“相形成”准则与高通量技术相结合，可实现目标合金体系的精准设计，同时对合金体系可实现多成分的单次并行制备，提高合金开发的高效性。此外，采用高通量技术，单次几乎可制备得到包含目标合金体系中所有的合金成分，基于获取的目标合金体系中多个不同成分样品的材料库，能够在更大的成分范围中筛选具有优异性能的成分，避免了实验结果的片面性和不完整性。当对多基元合金还存在其他辅助性能要求时，以辅助性能为指标，对前面确定的最优成分进行熵调控，增加或减少合金化元素的种类或含量，获得具有特定性能的多组分合金。本发明对最优成分进行熵调控，在保证合金目标性能的情况下，使得合金辅助性能的优化更具有目的性，从而进一步提高了多组元合金设计的准确性与高效性。
本发明对上述的辅助性能没有特殊的要求，根据实际需求进行设定即可。具体的：如要求设计一组低杨氏模量但具有一定腐蚀耐受性的体心立方固溶体结构的Zr-Ti-Nb合金，则低杨氏模量为目标性能，耐腐蚀性能为辅助性能。
熵调控包括熵增加和熵减少。熵增加即在最优成分的基础上增加合金化元素的种类或含量；熵减少即在最优成分的基础上减少合金化元素的种类或含量。本发明对增加或减少的合金化元素的具体种类没有特殊限定，根据实际需求选择增加或减少的元素种类即可。本发明对增加或减少的元素含量没有特殊限定，优选采用传统的试错法设计几组平行试验进行优化。为了使本领域技术人员更加清楚的了解本申请的技术方案，以要求设计一组低杨氏模量(目标性能)但耐腐蚀性能不能太差(辅助性能)的体心立方固溶体结构的Zr-Ti-Nb合金为例，本发明在进行最优成分的筛选时以低杨氏模量为筛选指标，得到的最优成分可确保具备低杨氏模量，而后以耐腐蚀性能作为辅助性能，在最优成分的基础上进行熵调控；本领域技术人员熟知增加一种耐腐蚀元素或增加体系中耐腐蚀元素的含量可以提高合金的耐腐蚀性能，因此，可以在最优成分的基础上增加耐腐蚀元素的种类或含量，然后采用传统的试错法设计几组平行实验进行优化，增加元素种类或含量的过程为熵增加的过程。又如：当需要设计的合金密度较小时，本发明可以在最优成分的基础上减少高密度金属的含量，然后采用传统的试错法设计几组平行实验进行优化，减少元素种类或含量的过程即为熵减少的过程。
本发明在最优成分的基础上进行熵调控，调整幅度较小，在保证合金目标性能的情况下，使得合金辅助性能的优化更具有目的性，从而进一步提高了多组元合金设计的准确性与高效性。
以图1为例，对本发明的多基元合金的设计方法进行说明。本发明首先基于多基元合金的相形成准则，进行多基元合金体系的设计，得到目标合金体系；然后采用高通量技术制备目标合金体系的多个不同成分样品，制备时可采用化学掩膜板或物理掩膜板，保证样品分离且独立，对制得的多个不同成分样品的目标性能进行测定，并对测得的目标性能和目标合金体系的多个合金样品中元素含量之间的关系进行分析，得到目标合金体系目标性能随合金元素含量的变化趋势；根据目标合金体系目标性能随合金元素含量的变化趋势，以目标性能作为筛选指标，进行最优成分的筛选，确立最优成分。当对多基元合金还存在其他辅助性能要求时，本发明还包括以辅助性能为指标，对最优成分进行熵调控，增加或减少合金化元素的种类或含量，得到具有特定性能(包括目标性能和辅助性能)的多基元合金。
下面结合实施例对本发明提供的多基元合金的设计方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1：
要求制备三元Zr-Ti-Nb系合金，体心立方(BCC)固溶体结构，具有低杨氏模量并具有一定的抗氧化性。
1.合金体系设计：
通过检索文献数据，得到混合焓(kJ/mol)：
设合金成分为：Zr1TixNby(0＜x,y≤1；即Zr、Ti和Nb的原子摩尔比为1：x：y)。
(1)混合焓：根据混合焓公式和形成固溶体的混合焓范围，得到：
因为Zr-Ti-Nb合金为三元合金体系，在各个组元原子比相接近时可得到最大的混合焓值，即x＝y＝1时可得到该体系最大的混合焓值为2.67KJ/mol。此外，由于该体系中，各个组元之间的混合焓均为非负值，所以该体系的混合焓最小值可无限接近于0，而大于0。因此，该体系合金的混合熵均处于形成固溶体的混合焓的范围，符合形成固溶体的混合焓要求。
因此，确定合金成分为Zr1TixNby可形成固溶体相结构。
(2)价电子浓度：使用价电子浓度判据预测可能形成的固溶体相结构，通过文献检索数据得到每个元素的价电子浓度值：
VEC(Zr)＝4，VEC(Nb)＝5，VEC(Ti)＝4
根据价电子浓度的计算公式，可计算此合金体系的价电子浓度为：
VEC＝4/(1+x+y)+4x/(1+x+y)+5y/(1+x+y)
当x＝y＝1时可获得最大价电子浓度为4.3，该值小于6.87，预测该合金体系会形成体心立方(BCC)固溶体结构。
2.高通量制备及最优成分的筛选：
在已确定的Zr-Ti-Nb合金体系的基础上借助高通量制备技术，单次制备目标合金体系的多个不同成分样品，并以低杨氏模量为筛选指标，进行了成分的快速筛选。
具体的：将Zr、Ti、Nb三种金属加工成溅射靶材，通过三靶共溅射辅以物理掩模板(材质为不锈钢)的技术实现了ZrTiNb合金体系的多个成分的平行制备，溅射条件：靶基距50mm，直流靶功率Ti:100W、Zr:80W，射频电源Nb:80W，单个样品的尺寸为10mm×10mm，相邻样品间的间距为20mm，具体如图2所示。单次制备分离出16个具有不同成分的合金。通过对靶材溅射功率的控制，最终获得的Zr、Ti的成分范围为～15-70at.％(即Zr、Ti两个元素含量的平均成分范围约为15-70at.％，at.％表示原子百分比)，Nb含量的范围为～5-45at.％，具体如图3和表1所示。
表1 高通量制备获得的16个样品的组成
对16个样品分别进行纳米压痕测试，得到16个样品的杨氏模量。通过MATLAB软件，对16个样品的杨氏模量数据进行变化趋势拟合，得到杨氏模量随合金元素含量的变化趋势如图4示；该合金体系的杨氏模量普遍处于一个较低的水平，其杨氏模量范围为80GPa～94.8GPa。通过趋势拟合图可以发现，在制备的合金成分中存在一个明显的低杨氏模量区域。为了确定未表征区域是否存在具有更低模量的成分，随后采用高通量技术对趋势拟合图中低杨氏模量区域对应的成分范围进行了制备，测定新制备的样品的杨氏模量，并最终在该区域中获得了具有更低杨氏模量的合金成分Zr52Ti34Nb14，其杨氏模量为76.3GPa，硬度高达3.8GPa。
3.熵调控：
随后，将优选成分(Zr52Ti34Nb14)制备成块体，并进行了详细的XRD结构表征和力学性能测试。XRD结果如图5所示，显示该合金成分为单一固溶体BCC相，与高通量制备的结果相吻合。通过力学性能测试，该样品的杨氏模量水平处于一个低平为63GPa(步骤2采用的是薄膜样品，本步骤是块体样品，所以杨氏模量的具体数值有差异，但薄膜样品中杨氏模量随成分的变化趋势和块体样品的变化趋势是一致的，所以不影响最优成分的筛选)，其拉伸塑性及强度也非常优异，铸态屈服强度可达657MPa的同时，拉伸塑性为22％。冷轧后其屈服强度为810MPa的同时仍保留了10％的拉伸塑性；特别地，其冷轧退火态的样品的抗拉强度与铸态相当，而拉伸塑性高达26％。单独制备的成分与高通量筛选的结果，不管是力学性能、相结构，均具非常好的吻合性。该成分符合预期筛选的具有BCC结构的低模量的合金，且具有优异力学性能。
在此基础上，为提升合金的抗氧化性能，故而，添加Al元素，使合金的混合熵为“熵增加”态，从而达到优化合金的抗氧化性能。
实施例2：
5元光热转换薄膜的应用：要求：Cr-Fe-Ta-W-V系合金薄膜具有良好的光热转化效率，相结构为BCC。
合金体系设计的步骤同实施例1，合金的体系为Cr-Fe-Ta-W-V系合金，(由于现有磁控溅射设备中存在5个靶的很少，所以必须使用合金靶，将5个元素熔炼成两个合金靶，故称之为伪二元)将该合金体系设计成伪二元，即(Cr0.33Fe0.33V0.33)x(Ta0.5W0.5)100-x(0＜x＜100)，通过相形成准则，确定合金成分为(Cr0.33Fe0.33V0.33)x(Ta0.5W0.5)100-x可形成BCC相结构。
基于多靶共溅射(两靶共溅射)技术实现了合金体系的制备。通过两靶共溅(靶材分别为CrFeV合金靶和TaW合金靶)实现的高通量制备技术，单次获得了该合金体系的多个合金成分，共26个样品，各组分元素含量如表2所示。
表2 高通量制备获得的26个合金样品的各个组元的含量
通过XRD表征技术，对获取的样品成分进行了相结构的表征，结果如图6所示。图6中显示各样品均存在非晶区(Smooth area)、过渡区(Transitional Area)以及完美的BCC相结构区域(Fogging Area)，与预测的结构相吻合。
以光热转换效率为目标性能，对并行制备获得的合金材料的光热转换性能进行测定、分析和筛选，确定最优合金成分为(Cr0.33Fe0.33V0.33)18(Ta0.5W0.5)84，测得的合金薄膜的太阳光吸收率高达80.9％。
由以上实施例可知，本发明提供了一种多基元合金的设计方法，本发明的设计方法准确性高、简便高效，可避免实验结果的片面性和不完整性。
以上对本申请实施例所提供的一种多基元合金的设计方法及***，进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。
如在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求书当中所提及的“包含”、“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含/包括但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求书所界定者为准。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者***不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者***所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者***中还存在另外的相同要素。
应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求书的保护范围内。
Claims (10)
1.一种多基元合金的设计方法，其特征在于，所述方法的步骤包括：
S1、根据多基元合金的相形成准则，确定目标合金体系；
S2、采用高通量技术制备若干属于S1确定的目标合金体系但成分不同的样品，并对样品进行性能测定，得到合金性能随合金元素含量的变化趋势；
S3、根据合金性能随合金元素含量的变化趋势，以性能为导向，确定合金的最优成分组合。
2.根据权利要求1所述的多基元合金的设计方法，其特征在于，所述方法的步骤还包括：
S4、以辅助性能为导向，对所述最优成分组合进行熵调控，得到具有辅助性能的成分组合。
3.根据权利要求1所述的多基元合金的设计方法，其特征在于，所述相形成准则为ΔHmixδ准则、Ω判据、VEC判据和γ参数中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的多基元合金的设计方法，其特征在于，步骤S1中确定目标合金体系的具体内容包括：
S11、预设合金的元素种类和各元素的含量范围；
S12、利用多基元合金的相形成准则对预设的合金元素种类和含量范围进行验证；满足相形成准则，目标合金体系设计完成；否则，进入下一步；
S13、重新预设各元素的含量范围，利用多基元合金的相形成准则对合金元素种类和重新预设的含量范围进行验证；满足相形成准则，目标合金体系设计完成；否则，循环本步骤；若该合金元素种类下不存在满足相形成准则的含量范围，则返回S11。
5.根据权利要求1所述的多基元合金的设计方法，其特征在于，所述高通量技术具体为在掩膜板存在的情况下采用多靶进行共溅射。
6.根据权利要求5所述的多基元合金的设计方法，其特征在于，所述掩膜板为物理掩膜板或化学掩膜板。
7.根据权利要求1所述的多基元合金的设计方法，其特征在于，步骤S3的具体内容包括：
S31、根据合金性能随合金元素含量的变化趋势，确定最优性能对应的合金元素成分范围；
S32、判断S31中的合金元素成分范围是否为制备的样品；若是，则以此合金元素成分范围作为最优成分组合；否则，进入下一步；
S33、采用高通量技术制备若干属于该合金元素成分范围的样品，并对样品进行性能测定，得到新的合金性能随合金元素含量的变化趋势，以新的变化趋势为对象返回S31。
8.根据权利要求4所述的多基元合金的设计方法，其特征在于，合金的元素种类大于5时，对进行降元处理，使制备样品时的溅射靶数量在5个以内。
9.一种多基元合金的设计***，其特征在于，所述***包括：
合金体系设计模块，用于根据多基元合金的相形成准则，确定目标合金体系；
样品制备模块，用于采用高通量技术制备合金样品；
性能测试模块，用于对合金样品进行性能测试；
数据分析模块，用于对性能测试的数据进行分析，得到合金性能随合金元素含量的变化趋势，并以性能为导向，确定合金的最优成分组合；
熵调控模块，用于根据辅助性能对合金的最优成分组合进行熵调控。
10.根据权利要求9所述的多基元合金的设计***，其特征在于，所述样品制备模块为含有掩膜板的共溅射设备。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202011011915.4A CN112164431A (zh) | 2020-09-23 | 2020-09-23 | 一种多基元合金的设计方法及*** |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202011011915.4A CN112164431A (zh) | 2020-09-23 | 2020-09-23 | 一种多基元合金的设计方法及*** |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN112164431A true CN112164431A (zh) | 2021-01-01 |
Family
ID=73863516
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202011011915.4A Pending CN112164431A (zh) | 2020-09-23 | 2020-09-23 | 一种多基元合金的设计方法及*** |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN112164431A (zh) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113088785A (zh) * | 2021-03-31 | 2021-07-09 | 北京科技大学 | 一种体心立方高熵合金及其制备方法 |
| CN113327650A (zh) * | 2021-08-04 | 2021-08-31 | 江苏永联慧科物联技术有限公司 | 一种基于大数据的贝氏体钢合金组分含量确定方法 |
| WO2022174492A1 (zh) * | 2021-02-18 | 2022-08-25 | 山东省科学院新材料研究所 | 添加元素对目标元素固溶度调控作用的预测方法及其应用 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CA2927074A1 (en) * | 2013-10-10 | 2015-04-16 | Scoperta, Inc. | Methods of selecting material compositions and designing materials having a target property |
| CN108182340A (zh) * | 2017-12-11 | 2018-06-19 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 一种高固溶性多主元合金的快速筛选方法 |
| CN108359948A (zh) * | 2018-01-22 | 2018-08-03 | 北京科技大学 | 一种高通量筛选用Cr-Fe-V-Ta-W系高熵合金薄膜及其制备方法 |
| US20190005202A1 (en) * | 2015-10-30 | 2019-01-03 | Synopsys, Inc. | Atomic Structure Optimization |
| CN109657382A (zh) * | 2018-12-26 | 2019-04-19 | 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 | 一种预定硬度的Fe-Cu-C合金材料的制备方法 |
| US20200168300A1 (en) * | 2018-11-27 | 2020-05-28 | California Institute Of Technology | Screening methods and related catalysts, materials, compositions, methods and systems |
-
2020
- 2020-09-23 CN CN202011011915.4A patent/CN112164431A/zh active Pending
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CA2927074A1 (en) * | 2013-10-10 | 2015-04-16 | Scoperta, Inc. | Methods of selecting material compositions and designing materials having a target property |
| US20190005202A1 (en) * | 2015-10-30 | 2019-01-03 | Synopsys, Inc. | Atomic Structure Optimization |
| CN108182340A (zh) * | 2017-12-11 | 2018-06-19 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 一种高固溶性多主元合金的快速筛选方法 |
| CN108359948A (zh) * | 2018-01-22 | 2018-08-03 | 北京科技大学 | 一种高通量筛选用Cr-Fe-V-Ta-W系高熵合金薄膜及其制备方法 |
| US20200168300A1 (en) * | 2018-11-27 | 2020-05-28 | California Institute Of Technology | Screening methods and related catalysts, materials, compositions, methods and systems |
| CN109657382A (zh) * | 2018-12-26 | 2019-04-19 | 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 | 一种预定硬度的Fe-Cu-C合金材料的制备方法 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| XUE-HUI YAN ET AL.: "High-throughput screening for biomedical applications in a Ti-Zr-Nb alloy system through masking co-sputtering", 《SCI. CHINA-PHYS. MECH. ASTRON.》, vol. 62, pages 1 - 9, XP036769083, DOI: 10.1007/s11433-019-9387-7 * |
| 宋金华: "《电子产品与工艺》", 31 December 1989, 西安电子科技大学出版社, pages: 47 - 48 * |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2022174492A1 (zh) * | 2021-02-18 | 2022-08-25 | 山东省科学院新材料研究所 | 添加元素对目标元素固溶度调控作用的预测方法及其应用 |
| CN113088785A (zh) * | 2021-03-31 | 2021-07-09 | 北京科技大学 | 一种体心立方高熵合金及其制备方法 |
| CN113327650A (zh) * | 2021-08-04 | 2021-08-31 | 江苏永联慧科物联技术有限公司 | 一种基于大数据的贝氏体钢合金组分含量确定方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN112164431A (zh) | 一种多基元合金的设计方法及*** | |
| Shi et al. | High-throughput synthesis and corrosion behavior of sputter-deposited nanocrystalline Alx (CoCrFeNi) 100-x combinatorial high-entropy alloys | |
| Harrington et al. | Phase stability and mechanical properties of novel high entropy transition metal carbides | |
| US11111565B2 (en) | Entropy-controlled BCC alloy having strong resistance to high-temperature neutron radiation damage | |
| Cui et al. | Strengthening mechanism in two-phase FeCoCrNiMnAl high entropy alloy coating | |
| Zhang et al. | Evolution of the microstructure and properties of laser-clad FeCrNiCoB x high-entropy alloy coatings | |
| Xing et al. | Rapid construction of Fe–Co–Ni composition-phase map by combinatorial materials chip approach | |
| Liu et al. | Intereaction and intermetallic phase formation between aluminum and stainless steel | |
| Wang et al. | Design metastability in high-entropy alloys by tailoring unstable fault energies | |
| Wolff-Goodrich et al. | Combinatorial exploration of B2/L21 precipitation strengthened AlCrFeNiTi compositionally complex alloys | |
| Siri et al. | Impact of selective laser melting additive manufacturing on the high temperature behavior of AISI 316L austenitic stainless steel | |
| Deng et al. | Preparation and property optimization of FeCrAl-based ODS alloy by machine learning combined with wedge-shaped hot-rolling | |
| Hui et al. | High-throughput investigation of crystal-to-glass transformation of Ti–Ni–Cu ternary alloy | |
| Cheruvu et al. | Cyclic oxidation behavior and microstructure of nanocrystalline Ni–20Cr–4Al coating | |
| Ghosh et al. | Microstructure characterization of titanium-base aluminium alloys by X-ray diffraction using Warren–Averbach and Rietveld method | |
| Liu et al. | Accelerated development of hard high-entropy alloys with data-driven high-throughput experiments | |
| Strzelecki et al. | Multi-component low and high entropy metallic coatings synthesized by pulsed magnetron sputtering | |
| Sivai Bharasi et al. | Changes in microstructural and mechanical properties of AISI type 316LN stainless steel and modified 9Cr-1Mo steel on long-term exposure to flowing sodium in a bi-metallic sodium loop | |
| CN113189264A (zh) | 一种高通量并行筛选多主元电解水催化剂的方法 | |
| Christudasjustus et al. | Surface film formation on Al-V alloys with far-from-equilibrium microstructure | |
| Jin et al. | Effects of Mo content on the microstructure and mechanical properties of laser cladded FeCoCrNiMox (x= 0.2, 0.5) high-entropy alloy coatings | |
| Yu et al. | Microstructural and damp-heat corrosion characteristics of Zn-2 wt% Al solder alloys containing trace Ag | |
| Rahman et al. | High temperature oxidation behaviour of Cr/Co–Al coated superalloy | |
| Zhang et al. | Application and Future Directions of High-Entropy Materials | |
| Lin et al. | Microstructure and hardness of nanocrystalline ferritic ODS alloy foil with high oxide content fabricated by EBPVD |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |