Ab-initio modelling of phase stability and properties of high-entropy alloys

Numer: Homing/2016-1/12
Program: HOMING
Jednostka finansująca: Fundacja na rzecz Nauki Polskiej, współfinansowany przez Unię Europejską z Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego.
Kierownik projektu: dr inż. Jan S. Wróbel
Funkcja: lider
Czas realizacji: 2017-2019

Opis

Stopy metali o wysokiej entropii (HEAs – ang. high entropy alloys) są nową klasą materiałów o wyjątkowej mikrostrukturze i właściwościach. Stopy te składają się z 4 lub więcej składników o zbliżonym stężeniu. Wysoka entropia konfiguracyjna (czyli duży stopień nieuporządkowania atomów) związana z obecnością różnych rodzajów pierwiastków hamuje tworzenie się kruchych faz międzymetalicznych i promuje nieuporządkowane wieloskładnikowe roztwory stałe, które posiadają bardzo unikalne właściwości. Wstępne badania eksperymentalne pokazują na przykład, że materiały te charakteryzują się bardzo dobrymi odpornościami na zużycie, promieniowanie radiacyjne i korozję oraz wysoką wytrzymałością. Dzięki temu są one atrakcyjnymi kandydatami do wielu zastosowań, m.in. w reaktorach termofuzyjnych, czym zainteresowany jest zagraniczny partner naukowy projektu – Culham Centre for Fusion Energy w Wielkiej Brytanii. Ze względu na olbrzymią liczbę kombinacji zarówno doboru pierwiastków jak również ich stężeń, eksperymentalne przebadanie wszystkich kombinacji stopów jest niemożliwe. Dlatego HEAs są ciągle mało poznane a ujednolicona teoria obejmująca atomistyczne i termodynamiczne aspekty tych materiałów do tej pory nie została stworzona. Głównym celem tego projektu będzie zrozumienie przy użyciu modelowania ab-initio, w jaki sposób uporządkowanie atomowe, entropia konfiguracyjna oraz podstawowe właściwości HEAs zależą od stężeń poszczególnych pierwiastków oraz temperatury. Umożliwi to znalezienie składu stopów, w których materiał będzie zachowywał optymalne właściwości i nieuporządkowane roztwory stałe będą obserwowane w najszerszym zakresie temperatur. Dzięki temu zaplanowane obliczenia będą pierwszym etapem przybliżającym zastosowanie tej nowej klasy materiałów w przemyśle. Badania będą skupione na dwóch grupach stopów: opartych na niemagnetycznym układzie W-Ta-V oraz na magnetycznym układzie Fe-Cr-Ni.

Więcej informacji pod adresem: goo.gl/82EkhF

Współpraca zagraniczna: Culham Centre for Fusion Energy

Dotychczasowa lista publikacji:

1. M. Calvo-Dahlborg, J. Cornide, J. Tobola, D. Nguyen-Manh, J.S. Wróbel, J. Juraszek, S. Jouen and U. Dahlborg, Interplay of electronic, structural and magnetic properties as the driving feature of high entropy CoCrFeNiPd alloys, J. Phys. D 50, 185002:1-12 (2017).
2. A. Fernandez-Caballero, J.S. Wróbel, P. M. Mummery, D. Nguyen-Manh, Short-Range Order in High Entropy Alloys: Theoretical Formulation and Application to Mo-Nb-Ta-V-W System, J. Phase Equilib. Diffus. 38, 391 (2017).
3. I. Toda-Caraballo, J.S. Wróbel, D. Nguyen-Manh, P. Perez, P.E.J. Rivera-Diaz-del-Castillo, Simulation and Modeling in High Entropy Alloys, JOM 69, 2137 (2017).
4. J.S. Wróbel, D. Nguyen-Manh, K.J. Kurzydłowski, Ab Initio Based Modelling of Diffusion and Phase Stability of Alloys, [w.] Diffusion Foundations Vol. 12, [Ed.] R. Abdank-Kozubski, Switzerland, Trans Tech Publications, 2017: 1-22
5. A. Fernandez-Caballero, M. Fedorov, J.S. Wróbel, P. M. Mummery, D. Nguyen-Manh, Configurational Entropy in Multicomponent Alloys: Matrix Formulation from Ab Initio Based Hamiltonian and Application to the FCC Cr-Fe-Mn-Ni System, Entropy 21, 6 (2019).
6. O. El-Atwani, N. Li, M. Li, A. Devaraj, J. K. S. Baldwin, M. M. Schneider, D. Sobieraj, J. S. Wróbel, D. Nguyen-Manh, S. A. Maloy, E. Martinez, Outstanding radiation resistance of tungsten-based high-entropy alloys, Sci. Adv. 5, eaav2002 (2019).