基于位点占位效应的轻质高熵合金AlCrMoTi与AlCrMoTiV表面氧化机制及力学性能研究

为解决轻质高熵合金（LHEAs）在高温氧化环境下的性能退化问题，研究人员通过第一性原理计算系统研究了BCC_AlCrMoTi和AlCrMoTiV的晶格畸变、力学性能及表面氧化机制。结果表明，V的添加加剧晶格畸变（相对畸变率6.12% vs 4.78%），导致合金软化（硬度553.20 HV vs 628.50 HV），但通过提升表面功函数和降低氧吸附活性显著改善抗氧化性。该研究为设计高性能LHEAs提供了理论依据。

　　

在能源效率需求日益增长的背景下，航空航天、交通运输等领域对兼具低密度和高强度的轻质材料提出了更高要求。传统铝合金（密度约2.70 g/cm³）和钛合金（约4.50 g/cm³）虽广泛应用，但其性能提升已接近瓶颈。轻质高熵合金（Lightweight high-entropy alloys, LHEAs）因其可调的成分设计和优异的力学性能被视为下一代轻质材料。然而，现有LHEAs仍面临两大挑战：一是含昂贵轻金属（如Li、Be）导致成本高昂；二是高温氧化机制不明确，制约其在极端环境的应用。

针对这些问题，福州大学的研究团队选取具有工业应用潜力的BCC_AlCrMoTi和AlCrMoTiV合金为研究对象，通过第一性原理计算揭示了V元素对合金性能的双重作用。研究采用位点占位分数（Site occupying fractions, SOFs）构建超晶胞模型，结合晶格畸变分析、力学性能计算、表面氧吸附能（adsorption energy）和功函数（work function）测定，系统阐明了成分-结构-性能的关系。

晶格畸变与力学性能
通过全局优化计算发现，添加V使AlCrMoTiV的相对晶格畸变率增至6.12%（AlCrMoTi为4.78%），导致硬度降低至553.20 HV（AlCrMoTi为628.50 HV）。弹性模量分析表明两者均为力学稳定的韧性材料，但V的引入显著降低体模量（bulk modulus）和剪切模量（shear modulus）。

表面氧化机制
氧吸附实验显示，Ti和V原子在空心位点（hollow sites）的吸附能最强（-5.32 eV至-6.14 eV）。随着氧覆盖率增加，AlCrMoTiV的表面功函数始终高于AlCrMoTi（0.25 ML时差值达0.83 eV），表明V降低了表面氧化活性。电子结构分析揭示，V的3d轨道与O的2p轨道杂化减弱，导致连续氧吸附能力下降。

氧原子扩散行为
通过爬坡弹性带（Climbing image nudged elastic band, CI-NEB）计算发现，氧原子从表面向体相扩散的能垒为1.78 eV，证实表面氧化膜可有效阻隔氧内渗。

该研究首次从原子尺度阐明了V元素在LHEAs中的"软化合金但强化抗氧化性"的协同机制，为开发低成本、耐氧化的新型轻质合金提供了理论指导。通过调控Cr/Mo/Ti/V比例可优化力学与抗氧化性能的平衡，这对航空发动机叶片、航天器热防护系统等高温部件的材料设计具有重要参考价值。论文发表于《Surfaces and Interfaces》，其多尺度计算方法也为其他高熵合金体系的性能预测建立了范式。