近日，上海大学材料基因组工程研究院陈帅副教授与新加坡科技研究院张永伟教授以及香港大学David J. Srolovitz教授（美国工程院院士）等合作，在国际权威期刊《Materials Today》（影响因子24.2，中科院材料科学1区TOP）上发表了题为“Short-range ordering alters the dislocation nucleation and propagation in refractory high-entropy alloys”（短程有序改变难熔高熵合金的位错形核和扩展）的研究论文。陈帅为第一作者，上海大学材料基因组工程研究院为第一单位。
在先进的航空发动机中，高温合金用量占比高达50%以上，是制造发动机热端部件的关键材料，难熔高熵合金易表现出高强度、高塑性和耐高温等传统合金鲜有同时具备的优异性能，在航空发动机高温结构材料领域具有潜在应用前景。近些年，研究者发现高熵合金并不像最初认为的随机固溶（RSS），往往具有化学短程有序（SRO），且短程有序可有效地调控合金的力学性能。由于实验在原子层次分辨解析各元素原子占位的难度较大，从而深入探究短程有序调控力学性能及其微观变形机理更难。
在本工作中，作者发展了结合第一性原理、分子动力学和蒙特卡洛的多尺度模拟方法，从第一性原理计算构建MoTaTiWZr难熔合金的组成成分、微观结构和构型能量数据库，并结合分子动力学模拟验证MoTaTiWZr高熵合金的原子间势函数，进而构建BCC双晶模型实现多尺度大规模分子动力学和蒙特卡洛跨时间和空间尺度模拟，通过不同弛豫过程来模拟化学短程有序形成与演变，并运用拉伸加载探究合金内部短程有序调控位错动力学机制。
该研究发现，在化学短程有序形成过程中，难熔高熵合金内部不同位置原子簇的能量出现差异，根据能量高低可分为高能、中能和低能原子簇。中能/低能原子簇环绕高能原子簇将其稳定，但在拉伸加载过程中，晶界处的高能原子簇会优先产生位错，即化学短程有序诱导位错形核。位错形核之后会在晶粒内部扩展，在RSS晶粒内部扩展过程中，螺型位错占主导作用。但在SRO晶粒内部扩展过程中，刃型位错和螺型位错交替起主导作用，不同于RSS晶粒和传统BCC合金只有螺型位错占主导，跟已报道的难熔中熵和高熵合金实验结果（Science 2020, 370, 95–101; Sci. Adv. 2020, 6, eaaz4748; Nat. Commun. 2021, 12, 5474）非常吻合，但针对实验现象尚未给出清晰合理解释。
作者进一步探究刃型和螺型位错运动过程的能量变化，发现在RSS晶粒内部，不同位置的运动势垒是均匀的，跟传统BCC合金类似，螺型位错运动势垒（0.3 eV）总是高于刃型位错（0.1 eV），从而刃型位错运动速率较快，留下螺型位错占主导。而在SRO晶粒内部，短程有序同时增加刃型（0.5 eV）和螺型（0.6 eV）位错运动的势垒，且不同位置的运动势垒是非均匀的。当刃型位错运动到短程有序位置，势垒增加，速率降低，可导致刃型位错主导；而当螺型位错运动到短程有序位置，势垒也将增加，导致速率降低，而占主导作用。即化学短程有序阻碍位错运动，导致刃型和螺型位错交替起主导作用，很好地解释了难熔中熵和高熵合金已报道的实验观测。该研究揭示了化学短程有序在调控难熔高熵合金位错动力学的微观机制，为设计制备优异力学性能的难熔高熵合金提供理论指导。
陈帅副教授2016年博士毕业于清华大学摩擦学国家重点实验室，之后在新加坡科技研究院（A*STAR）工作六年，2023年加入上海大学材料基因组工程研究院，主要研究方向为多主元先进合金力学性能及其强化机理。此工作是陈帅在新加坡工作期间，关于高熵合金化学有序形成（Acta Mater. 2021, 206, 116638）及其对力学/热力学性能调控机理（Nat. Commun. 2021, 12, 4953；Acta Mater. 2022, 238, 118201）研究的延续，陈帅将继续利用多尺度模拟和高通量计算方法，结合材料基因组、机器学习和高通量实验，开展多主元先进合金力学性能及其强化的基础理论和应用研究。
文章链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1369702123000718