[論文レビュー] Tuning phase-stability and short-range order through Al-doping in FeMnCoCrAlx (x <= 20 at.%) high entropy alloys

Prashant Singh, Amalraj Marshal+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 19, 2018

High Entropy Alloys Studies被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、第一原理計算と実験を用いて、FeMnCoCrAlx高エントロピー合金（x ≤ 20 at.%）におけるAlドーピングの影響を調査し、狭いfcc+bcc二相領域を経てfcc相からbcc相への構造的転移が生じることを明らかにした。Alドーピングはbcc相を安定化させ、生成熱と電子構造を調整し、化学的短距離秩序（SRO）を誘発する。SROは秩序の不安定性と相転移温度を予測するもので、実験的観察と整合的である。

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.

研究の動機と目的

• 0から20 at.%のAl含有量の増加に伴うFeMnCoCrAlx高エントロピー合金における相の進化を理解すること
• Alドーピングがbcc相の安定化とfcc相の形成抑制に果たす役割を調査すること
• 熱力学的線形応答理論を用いて化学的短距離秩序（SRO）と秩序の不安定性を予測すること
• 理論的予測された相転移温度とFeMnCoCrAlx合金における実験的発見を関連付けること

提案手法

• FeMnCoCrAlx合金のAl含有量を変化させた場合の生成熱と電子構造を第一原理的密度汎関数理論（DFT）で計算すること
• 熱力学的線形応答理論を用いて化学的短距離秩序（SRO）パラメータを予測し、秩序の不安定性を特定すること
• SROの予測と熱力学的安定性基準に基づいて相の安定性と相転移温度をモデル化すること
• 理論的予測を、相の組成と微細構造に関する実験的観察と照合して検証すること
• Al含有量の増加に伴う電子構造と局所的原子秩序の進化を分析すること
• 狭い二相（fcc+bcc）共存領域を通じたfcc相からbcc相への遷移経路をマッピングすること

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Al含有量（x ≤ 20 at.%）の増加が、FeMnCoCrAlx高エントロピー合金の相の安定性と構造的進化にどのように影響するか？
• RQ2 Alドーピングは、FeMnCoCrAlx合金の生成熱と電子構造をどのように調整するか？
• RQ3 化学的短距離秩序（SRO）パラメータはAl含有量に伴いどのように変化し、局所的秩序の傾向を何を示唆するか？
• RQ4 熱力学的線形応答理論は、FeMnCoCrAlxにおける秩序の不安定性の発生と相転移温度を正確に予測できるか？
• RQ5 理論的予測された相転移が、実験的観察による相共存と構造的変化とどの程度一致するか？

主な発見

• Alドーピングにより、FeMnCoCrAlx合金においてfcc相からbcc相への構造的転移が生じ、中間的なAl含有量で狭い二相（fcc+bcc）領域を経由する。
• 第一原理計算により、Al含有量の増加に伴い生成熱が低下し、bcc相の安定化が促進されることが示された。
• 化学的短距離秩序（SRO）パラメータはAl含有量の増加に伴い増加し、局所的原子秩序の傾向が強まることを示している。
• 熱力学的線形応答理論により、秩序の不安定性と相転移温度の予測が成功し、実験的相進化と整合的であった。
• 予測されたfcc+bcc共存領域は実験的観察と一致し、理論モデルの正確性が裏付けられた。
• 電子構造の分析により、Alドーピングに伴いdバンド中心の変化と電荷移動が生じ、相の安定化機構に寄与することが明らかになった。