[논문 리뷰] Tuning phase-stability and short-range order through Al-doping in FeMnCoCrAlx (x <= 20 at.%) high entropy alloys

Prashant Singh, Amalraj Marshal외 5명|arXiv (Cornell University)|2018. 03. 19.

High Entropy Alloys Studies인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 첫 번째 원리 계산과 실험을 통해 FeMnCoCrAlx 고엔트로피 합금(x ≤ 20 at.%)에서 Al 도핑의 영향을 조사하며, 좁은 fcc+bcc 이상태 영역을 거쳐 fcc에서 bcc 상으로의 구조 전이가 발생하는 것으로 밝혀졌다. Al 도핑은 bcc 상을 안정화시키고, 생성 엔탈피와 전자 구조를 조절하며, 순서 불안정성과 상 전이 온도를 예측하는 화학적 단거리 순서(SRO)를 유도한다. 이는 실험적 관찰과 일치한다.

ABSTRACT

For FeMnCoCrAlx high-entropy alloys, we investigate the phase evolution with increasing Al-content (0 <= x <=20 at.%). From first-principles theory, the Al-doping transitions the alloy structurally from fcc to bcc separated by a narrow two-phase region (fcc+bcc), which is well supported by our experiments. We highlight the effect of Al-doping on the formation enthalpy and electronic structure of FeMnCoCrAlx alloys. As chemical short-range order (SRO) in multicomponent alloys indicates the nascent local order (and entropy changes), as well as expected low-temperature ordered behavior, we use thermodynamic linear-response to predict SRO and ordering instabilities and their phase transformation temperatures present in FeMnCoCrAlx. The predictions agree with our present and other reported experimental findings.

연구 동기 및 목표

• FeMnCoCrAlx 고엔트로피 합금에서 Al 농도가 0에서 20 at.%로 증가함에 따라 상의 진화를 이해하기 위해
• Al 도핑이 bcc 상을 안정화시키고 fcc 상 형성의 억제에 기여하는 역할을 조사하기 위해
• 열역학적 선형 반응 이론을 사용하여 화학적 단거리 순서(SRO)와 순서 불안정성을 예측하기 위해
• 예측된 상 전이 온도를 FeMnCoCrAlx 합금에서의 실험적 결과와 연계하기 위해

제안 방법

• 다양한 Al 농도에서 FeMnCoCrAlx 합금의 생성 엔탈피와 전자 구조를 계산하기 위해 첫 번째 원리 밀도함수이론(DFT)을 활용하기 위해
• 화학적 단거리 순서(SRO) 매개변수를 예측하고 순서 불안정성을 규명하기 위해 열역학적 선형 반응 이론을 사용하기 위해
• SRO 예측과 열역학적 안정성 기준을 기반으로 상 안정성과 상 전이 온도를 모델링하기 위해
• 이론적 예측을 상 조성과 미세구조에 대한 실험적 관찰과 대조하여 검증하기 위해
• 증가하는 Al 농도에 따라 전자 구조와 국소 원자 배열의 변화를 분석하기 위해
• 좁은 이상태 영역인 fcc+bcc 공존 영역을 통해 fcc에서 bcc 상으로의 전이 경로를 매핑하기 위해

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Al 농도가 증가함에 따라(이하 x ≤ 20 at.%), FeMnCoCrAlx 고엔트로피 합금의 상 안정성과 구조적 진화에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 Al 도핑은 FeMnCoCrAlx 합금의 생성 엔탈피와 전자 구조에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 화학적 단거리 순서(SRO) 매개변수는 Al 농도에 따라 어떻게 변화하며, 이는 국소 순서 경향성을 어떻게 드러내는가?
• RQ4 열역학적 선형 반응 이론은 FeMnCoCrAlx에서 순서 불안정성의 시작과 상 전이 온도를 정확하게 예측할 수 있는가?
• RQ5 이론적 예측된 상 전이가 실험적 관찰된 상 공존 및 구조 변화와 얼마나 일치하는가?

주요 결과

• Al 도핑은 FeMnCoCrAlx 합금에서 fcc에서 bcc 상으로의 구조 전이를 유도하며, 중간 Al 농도에서 좁은 이중상 영역(fcc+bcc)을 거친다.
• 첫 번째 원리 계산 결과, Al 농도가 증가할수록 생성 엔탈피가 감소하여 bcc 상의 안정성이 증가함을 보여준다.
• 화학적 단거리 순서(SRO) 매개변수는 Al 농도 증가에 따라 증가하며, 국소 원자 배열의 순서 경향성이 강화됨을 나타낸다.
• 열역학적 선형 반응 이론은 순서 불안정성과 상 전이 온도를 성공적으로 예측하였으며, 실험적 상 진화와 일치한다.
• 예측된 fcc+bcc 공존 영역은 실험적 관찰과 일치하여 이론 모델의 정확성을 확인한다.
• 전자 구조 분석을 통해 Al 도핑으로 인한 d-band 중심 이동과 전하 이동이 발생하며, 이는 상 안정화 메커니즘에 기여한다.