一种高熵合金成分的设计方法及其应用

本发明涉及合金成分设计，具体涉及一种高熵合金成分的设计方法及其应用。

背景技术：

1、高熵合金是一种突破传统合金设计理念的新型合金，通常是由四种及以上的合金元素组成，具有高强度、高硬度、耐高温和耐腐蚀等优良特性，因而在工程材料领域具有广泛的应用前景。高熵合金的成分选择空间广泛，目前高熵合金的成分设计主要是通过计算机模拟来辅助设计(参见参考文献：wen c,zhang y,wang c,et al.machine learningassisted design of high entropy alloys with desired property[j].actamaterialia,2019,170:109-17.)，但是大量的计算量和相对较低的模拟效率，以及预测韧性等断裂性能的困难，限制了新的优良高熵合金的快速发现，因此如何使用一种快速简便的方法设计高熵合金成分具有十分重要的意义。

2、在金属玻璃领域，从成分上预测金属玻璃的力学和物理性能和从弹性角度设计金属玻璃成分的理念早已被提出并证实(参见参考文献：liu z q,zhang z f.strengtheningand toughening metallic glasses:the elastic perspectives and opportunities[j].journal of applied physics,2014,115(16):163505.)。目前高熵合金的弹性模量也有一些研究，但它们主要集中在模量的实验测量、实验与模拟的比较以及影响弹性模量的因素上。这些方法都不是直接预测弹性模量的方法。另一方面，材料的弹性模量和机械性能之间也存在着许多相关性。除了弹性标准，也有研究从价电子浓度预测bcc hea的延展性(参见参考文献：sheikh s,shafeie s,hu q,et al.alloy design for intrinsicallyductile refractory high-entropy alloys[j].journal of applied physics,2016,120(16):164902.)，以及从原子尺寸差异预测单相结构的形成(参见参考文献：yang x,zhangy.prediction of high-entropy stabilized solid-solution in multi-componentalloys[j].materials chemistry and physics,2012,132(2-3):233-238.)。这些方法对于高熵合金的成分优化也十分重要。但是，目前上述的这些预测方法都比较分散，并没有根据相关参数的预测方法建立起完整的高熵合金成分设计体系。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题：高熵合金成分设计多使用计算模拟与机器学习的方法，但是这类方法计算复杂耗时久，盲目探索的成本太高。本发明提供一种高熵合金成分的设计方法及其应用，该方法只需要知道合金具体的成分组成，就可以预测合金的强度、韧性、密度和相组成。

2、本发明的目的是提供一种高熵合金成分的设计方法，包括：

3、预设高熵合金的合金元素组成以及每种合金元素的原子百分比；

4、根据每种合金元素的杨氏模量，以及每种合金元素的摩尔体积和原子百分比，获取高熵合金的杨氏模量；

5、根据每种合金元素的原子百分比和价电子浓度获取高熵合金的价电子浓度；

6、根据每种合金元素的原子百分比、原子质量以及密度获取高熵合金的密度；

7、根据每种合金元素的原子百分比和原子半径获取高熵合金的原子尺寸差；

8、通过改变合金元素的组成以及改变每种合金元素的原子百分比获取对应的高熵合金的杨氏模量、高熵合金的价电子浓度、高熵合金的密度以及高熵合金的原子尺寸差；

9、根据不同合金元素的组成所对应的高熵合金的杨氏模量、价电子浓度、密度以及原子尺寸差绘制价电子浓度-杨氏模量图、密度-杨氏模量图以及原子尺寸差-杨氏模量预测性能图；

10、根据价电子浓度-杨氏模量图、密度-杨氏模量图以及原子尺寸差-杨氏模量预测性能图，获取高熵合金的成分。

11、在一实施例中，所述高熵合金的杨氏模量值是按照以下步骤获取：

12、根据各个合金元素的杨氏模量，以及每种合金元素的摩尔体积和原子百分比，获取高熵合金杨氏模量的上限值和下限值；

13、将高熵合金杨氏模量的上限值和下限值的平均值作为高熵合金的杨氏模量值。

14、在一实施例中，所述高熵合金杨氏模量的上限值，计算公式如下：

15、

16、式中，estress表示高熵合金杨氏模量的上限值；ei表示每种合金元素的杨氏模量，表示每种合金元素的摩尔体积；fi表示每种合金元素的原子百分比；vm表示所有合金元素的平均摩尔体积。

17、在一实施例中，所述高熵合金杨氏模量的下限值，其计算公式如下：

18、

19、式中，estrain表示高熵合金杨氏模量的下限值；ei表示每种合金元素的杨氏模量，表示每种合金元素的摩尔体积；fi表示每种合金元素的原子百分比；vm表示所有合金元素的平均摩尔体积。

20、在一实施例中，所述高熵合金的原子尺寸差，其计算公式如下：

21、

22、式中，ci表示每种合金元素的原子百分比，ri表示每种合金元素的原子半径，r为合金元素的平均原子半径；δ表示高熵合金的原子尺寸差。

23、在一实施例中，所述合金元素的平均原子半径，其计算公式如下：

24、

25、式中，ci表示每种合金元素的原子百分比，ri表示每种合金元素的原子半径；n表示合金元素的种类数。

26、在一实施例中，所述高熵合金的价电子浓度，其计算公式如下：

27、vec＝∑fiveci

28、式中，veci表示每种合金元素的价电子浓度；fi表示每种合金元素的原子百分比；vec表示高熵合金的价电子浓度。

29、在一实施例中，所述高熵合金的密度，其计算公式如下：

30、

31、式中，ρ表示高熵合金的密度；ci表示每种合金元素的原子百分比，ai表示每种合金元素的原子质量，ρi表示每种合金元素的密度；ρ单位为g/cm3。

32、本发明提供了一种上述的方法在设计高熵合金成分中的应用。

33、本发明至少具有如下有益效果：

34、本发明提供了一种高熵合金成分的设计方法，该方法相比于传统常用的高熵合金成分设计的方法主要都是以计算机模拟辅助设计，计算量大，耗时长，不利于高熵合金成分的快速设计。本发明采用的计算方法简单快捷，可以节省大量时间和成本。本发明提出的高熵合金成分设计的新方法，只需要知道合金具体的成分组成，就可以预测合金的强度、韧性、密度和相组成。运用本发明，可以根据需求，快速选择出可以具有最佳性能的合金成分，具有低价电子浓度和高杨氏模量成分的高熵合金有望显示出高强度和高延展性，可以为高熵合金的成分设计提供指导。