[논문 리뷰] Short-range order in high entropy alloys:Theoretical formulation and application to Mo-Nb-Ta-V-W system

A. Fernández-Caballero, Jan Wróbel외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 05. 04.

High Entropy Alloys Studies인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 고융점 다성분합금 Mo-Nb-Ta-V-W에서의 단거리화학적 순서를 모델링하기 위해 군집 전개와 백터기반 계산을 기반으로 이론적 프레임워크를 개발한다. 이는 Mo-Ta 및 V-W 쌍에 대해 각각 B2 및 B32 유형의 순서가 유리하므로 강한 화학적 단거리순서(SRO)를 예측하며, 이는 이중 상호작용을 초월한 상의 안정성 경향을 나타내는 SRO 파라미터를 포함한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 다성분 고엔트로피합금에서 Warren-Cowley 단거리순서(SRO) 파라미터에 대한 이론적 수식을 유도하기.
• 몬테카를로 시뮬레이션을 사용하여 Mo-Nb-Ta-V-W 및 하위 4원계 시스템에서 온도 의존적 화학적 순서를 조사하기.
• 구성 엔트로피와 혼합 엔탈피가 국소 화학적 분리 및 순서 형성에 미치는 역할 규명하기.
• SRO 파라미터 분석을 통해 HEA에서 B2 및 B32 유형의 순서 상의 안정성 평가하기.
• 근접 이웃 근사 이상의 복잡한 다성분합금에서 국소 원자 구조를 예측할 수 있는 모델 제공하기.

제안 방법

• 통계역학과 이상 용액 근사법을 사용하여 5원소 체계에서 Warren-Cowley SRO 파라미터에 대한 해석적 표현 유도하기.
• 군집 전개(CE) 해밀토니안을 사용하여 다성분합금에서 자유에너지의 엔탈피 및 엔트로피 기여 모델링하기.
• 백터기반 계산과 몬테카를로 시뮬레이션을 통합하여 원자 구성을 샘플링하고 SRO 파라미터 계산하기.
• 자유에너지 차이를 계산하기 위해 열역학적 통합 기법을 사용하여 무질서상(A2)과 순서상(B2) 간의 자유에너지 차이 분석하기.
• 첫 번째 및 두 번째 이웃 원자층을 모두 포함하여 SRO 분석 수행하여 장거리 순서 효과 포착하기.
• SRO 경향을 이중 혼합 엔탈피 및 알려진 최저에너지 상태 구조(예: V-W계에서의 B32)와 비교하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Mo-Nb-Ta-V-W 다성분합금계에서 SRO 파라미터는 온도에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ2 혼합 엔탈피와 구성 엔트로피는 다성분 HEA에서 국소 화학적 순서 형성에 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 어느 원소 쌍이 가장 강한 단거리순서를 보이며, 어떤 구조상이 선호되는가?
• RQ4 두 번째 이웃 원자 상호작용은 체심입방격자(BCC) HEA에서 B2형 순서 상의 안정성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 Mo-Ta보다 혼합 엔탈피가 덜 유리한 V-W 쌍이 강한 음성 SRO를 보이는 이유는 무엇인가?

주요 결과

• 가장 강한 화학적 SRO는 첫 번째 이웃 원자층에서 Mo-Ta 쌍에 대해 예측되며, 이는 B2 구조에서 높은 음성 혼합 엔탈피와 일치한다.
• Mo-Ta 쌍의 B2 상 형성은 두 번째 이웃 원자층의 양성 기여로 강화되며, 이는 장거리 순서 경향을 나타낸다.
• V-W 쌍의 평균 SRO 파라미터는 매우 음성이며, Mo-Ta 쌍과 크기에서 유사하여 B32 유형의 순서 경향을 나타낸다.
• 5원계에서 V-W 쌍의 B32 상은 100 K 이하의 온도에서 안정하다고 예측되며, 4원계에서는 200 K 이하에서 안정하다.
• 고온에서 V-W 쌍의 첫 번째 및 두 번째 이웃 원자 SRO 파라미터 모두 음성으로 변하여 B32 최저에너지 상태와 유사한 국소 환경을 나타낸다.
• Mo-W, Nb-Ta, Nb-V 및 Ta-V 쌍의 양성 SRO 파라미터는 상 분리 경향을 나타내며, 이는 이중 상호작용의 혼합 엔탈피만으로는 설명할 수 없으며, 이중 상호작용 초월한 군집 전개 모델이 필요하다.