1-15、纳米晶合金热稳定性和相稳定性的多尺度耦合计算

宋晓艳^*，唐法威，刘东，毛斐，郭凯

北京工业大学 材料科学与工程学院/新型功能材料教育部重点实验室，北京 100124

摘要：与同成分的传统粗晶合金材料相比，纳米晶合金常具有更优越的力学性能和功能特性。然而，在实际应用中，纳米晶合金的组织稳定性（包括晶粒尺寸的热稳定性和结构组成的相稳定性）是金属纳米材料批量制备加工和规模化工程应用的主要瓶颈。因此，纳米晶合金微观组织稳定性的影响因素及其调控机理的研究至关重要。本研究围绕纳米晶合金晶粒组织热稳定性和相稳定性的科学问题，构建了跨层次、多尺度的耦合计算模型。从理论上分析预测了纳米晶合金的内禀特性、热稳定性、相稳定性以及不同条件下的稳定性强化机制。基于多尺度集成计算结果优选出兼顾高稳定性和使用性能的几种代表性材料体系，为纳米晶合金材料的设计研发提供了理论依据和可行制备途径。

针对弱偏聚纳米晶固溶体合金体系，构建了第一性原理/热力学耦合模型。以Cu-Zn纳米晶体系为例，计算和分析了溶质偏聚行为随电子结构、溶质浓度、晶粒尺寸和温度的变化关系。发现偏聚能随溶质浓度呈非单调变化趋势，吉布斯自由能变化特点预示在特定溶质浓度和温度条件下，通过初始晶粒尺寸范围的调控可获得具有良好热稳定性的纳米晶组织。针对强偏聚元素的特点，采用真实原子模型构建了适用于强偏聚纳米晶固溶体合金体系的热力学模型。以W-Sc纳米晶体系为例，计算揭示了强偏聚体系中存在吉布斯自由能随晶粒尺寸变化的三类规律和对应的热稳定性机制。开展了系列实验，验证了模型预测结果，在高温条件下获得了具有超高热稳定性的Cu-Zn和W-Sc纳米晶固溶体合金，具有重要的实际应用潜力。

针对纳米晶合金的相稳定性，以在高温环境具有独特应用前景的Sm-Co基合金为例，结合多尺度建模计算和机器学习方法，系统研究了添加元素和纳米结构化对合金相稳定性和室温、高温磁性能的影响。几十年来，人们尝试利用各种掺杂元素来调控多元合金的物相组成和相变行为，以此改善Sm-Co基多元合金的磁性能。然而，不同元素的不同性质决定了极难利用同样的制备/加工工艺对其进行遍历，这就导致元素种类、添加量、制备方法、工艺条件等因素的引入增加了自变量的维度，越发加剧了传统的控制变量法设计、开展实验的难度。本团队研发出多尺度建模计算与数据挖掘/机器学习相结合的创新途径：采集每种元素尽可能多的特征参数，利用无监督方法处理元素特征，结合元素的添加方式、处理工艺等和具体问题相关的参数进行机器学习，在此过程中进一步分析并精简元素特征。在此基础上，将优选元素引入多尺度集成计算模型，通过高通量计算揭示添加元素与基体元素之间的交互作用、组分及相结构与合金性能之间的量化关系，由此给出具有相稳定性可控、综合高性能化的多元合金成分筛选和优化制备方案。

图1. 模型计算的强（左）、弱偏聚体系（右）的偏聚焓随溶质浓度和晶粒尺寸的变化

图2. 机器学习得到的添加一定量元素对Sm-Co纳米晶合金相稳定性的影响（左）和基于筛选元素计算的物相形成能（右）。

DOI:10.12110/secondfmge.20181014.115