[論文レビュー] Short-range order in high entropy alloys:Theoretical formulation and application to Mo-Nb-Ta-V-W system

A. Fernández-Caballero, Jan Wróbel+2 more|arXiv (Cornell University)|May 4, 2017

High Entropy Alloys Studies被引用数 3

ひとこと要約

本研究は、クラスターエンジニアリングと第一原理計算を組み合わせた理論的枠組みを構築し、難融高エントロピー合金Mo-Nb-Ta-V-Wにおける短距離化学的秩序をモデル化する。Mo-TaおよびV-W対に対して強い化学的短距離秩序（SRO）が予測され、それぞれB2およびB32型の秩序に起因するもので、SROパラメータは二原子間相互作用を超えた相安定性の傾向を示している。

ABSTRACT

In high-entropy alloys (HEAs), the local chemical fluctuations from disordered solute solution state into segregation, precipitation and ordering configurations are complex due to the large number of elements. In this work, the cluster expansion (CE) Hamiltonian for multi-component alloy systems is developed in order to investigate the dependence of chemical ordering of HEAs as a function of temperature dependence due to derivation of configuration entropy from the ideal solute solution. Analytic expressions for Warren-Cowley short-range order (SRO) parameters are derived for a five component alloy system. The theoretical formulation is used to investigate the evolution of the ten different SRO parameters in the MoNbTaVW and the sub-quaternary systems obtained by MonteCarlo simulations within the combined CE and first-principles formalism.

研究の動機と目的

• 5成分高エントロピー合金におけるWarren-Cowley短距離秩序（SRO）パラメータの理論的定式化を展開すること。
• モンテカルロシミュレーションを用いてMo-Nb-Ta-V-Wおよび準4成分系における温度依存的化学的秩序を調査すること。
• 配置エントロピーと混合エンタルピーが局所的化学的分離および秩序化を駆動する役割を特定すること。
• SROパラメータ解析を通じて、B2およびB32型秩序相の安定性を評価すること。
• 最近接原子近似を超えた、複雑な多成分合金における局所的原子構造を予測するモデルを提供すること。

提案手法

• 統計力学と理想溶液近似を用いて、5成分系におけるWarren-Cowley SROパラメータの解析的表現を導出する。
• クラスターエンジニアリング（CE）ハミルトニアンを用いて、多成分合金におけるエンタルピーおよびエントロピー寄与を自由エネルギーに組み込む。
• 第一原理計算とモンテカルロシミュレーションを統合し、原子配置をサンプリングし、SROパラメータを計算する。
• 熱力学的統合法を用いて、無秩序相（A2）と秩序相（B2）間の自由エネルギー差を計算する。
• SRO解析に第一および第二近隣原子殻を含め、長距離秩序効果を捉える。
• SRO傾向を二成分混合エンタルピーおよび既知の安定構造（例：V-W系におけるB32相）と比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Mo-Nb-Ta-V-W高エントロピー合金系において、SROパラメータは温度にどのように依存するか？
• RQ2 混合エンタルピーと配置エントロピーが多成分HEAにおける局所的化学的秩序化を駆動する役割は何か？
• RQ3 どの元素対が最も強い短距離秩序を示し、どのような構造相を好むか？
• RQ4 第二近隣原子相互作用は、bcc HEAにおけるB2型秩序相の安定性にどのように寄与するか？
• RQ5 Mo-Taよりも混合エンタルピーがやや不利であるにもかかわらず、なぜV-W対は強い負のSROを示すのか？

主な発見

• Mo-Ta対の化学的SROは、第一近隣原子殻で最も強く、B2構造における高い負の混合エンタルピーと整合的である。
• 第二近隣原子殻からの正の寄与により、Mo-Ta対のB2相形成が強化されており、長距離秩序化の傾向が示唆される。
• V-W対の平均SROパラメータは強く負であり、Mo-Ta対と同程度の大きさであり、B32型秩序化の傾向を示している。
• 五成分系では100 K未満、四成分系では200 K未満でV-W対のB32相が安定であると予測される。
• 高温域では、V-W対の第一および第二近隣原子SROパラメータとも負となり、B32の基底状態に類似した局所的環境が形成されていることが示された。
• Mo-W、Nb-Ta、Nb-V、およびTa-V対のSROパラメータが正であることは、相分離の傾向を示しており、これは二成分混合エンタルピーのみでは説明できない。この現象は、二原子間近似を超えたクラスターエンジニアリングの導入が不可欠であることを示している。