昆明理工大学《ActaMaterialia》：新型双相贵金属高温合金！材料actamaterialia

稀贵金属由于其独特的化学稳定性和优异的耐腐蚀性，在航空航天、国防军工、精细化工、生物医药等战略性新兴产业中具有不可替代的重要作用。然而，稀贵金属的研发长期面临着成本高、经验少等问题，实现稀贵金属材料的“等效减量”是长久以来的目标。基于材料基因工程的方法，通过高通量计算精准预测材料性能，可以大幅加速材料的筛选和优化过程，显著降低研发成本和周期。非贵金属元素的加入一般会降低合金高温稳定性和抗氧化性能，基于传统γ/γ'双相强化的合金有望在保持高温力学性能和高温氧化性基础上，大幅度降低贵金属原料成本。γ/γ'双相强化Pt-Al高温合金中沉淀相（γ'-Pt3Al相）的稳定性以及沉淀相和基体相（γ相）的晶格失配度对Pt-Al高温合金的力学性能起到重要的作用。然而，随着温度的降低，立方相（γ'-Pt3Al相）转变为四方相，破坏强化相和基体相的共格结构，恶化合金的力学性质。

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图1.新型γ-γ′Pt-Al高温合金的设计流程

图2.Pt3Al的(a)晶体结构，(b)能量体积曲线，(c)声子谱，(d)力常数，(e)电子态密度

Pt3Al在高温下为立方cP4-Cu3Au（L12，即γ′相）相，低温下为四方tP16-Pt3Ga（tP16）相。L12相属于Pm-3m空间群，tP16相属于P4/mbm空间群，如图2所示。L12相的声子谱在R点（π/a,π/a,π/a）处存在虚频，表明其动力学不稳定性。通过拉伸力常数（SFCs）量化键强度，较大的SFCs表示较强的键合，而负SFCs则表明原子对之间趋向于分离。在L12相和tP16相中，SFCs均呈现出Pt-Pt键>Pt-Al键>Al-Al键的趋势，L12相Pt-Al原子对的SFCs（L12相为1.010eV/2，tP16相为3.473eV/2）明显弱于tP16相。此外，L12相Pt-Pt原子对表现出明显的负SFCs（-0.409eV/2），表明Pt-Pt原子对趋向于分离。Pt-Al原子对的弱键合以及Pt-Pt原子对的负SFCs导致了L12相的动力学不稳定性。键强度进一步通过图2(f)中的电子态密度（DOS）得到了验证。

图3.γ′-Pt3Al相的动力学稳定机制及新型γ-γ′Pt-Al合金

本工作中所涉及的晶体结构建模和部分高通量计算是在极端条件材料物性集成计算平台ProME（ProfessionalMaterialsatExtremes）上完成的，ProME是一款由北京应用物理与数学研究所、昆明理工大学和国内多家单位联合开发的国产材料计算平台。同时，上述工作得到了云南省稀贵金属材料基因工程专项、云南省重大科技专项、云南贵金属实验室重大专项等项目的支持，新型Pt-Al高温合金的开发形成了高通量计算驱动贵金属合金设计典型案例，推动了稀贵金属新材料领域由经验指导实验向理论预测、实验验证的材料研发新模式转变，赋能新质生产力。