近日，万事平台材料基因組工程研究院陳帥副教授與新加坡科技研究院張永偉教授以及香港大學David J. Srolovitz教授（美國工程院院士）等合作☔️，在國際權威期刊《Materials Today》（影響因子24.2🎅🏿🧕🏻，中科院材料科學1區TOP）上發表了題為“Short-range ordering alters the dislocationnucleation and propagation in refractory high-entropy alloys”（短程有序改變難熔高熵合金的位錯形核和擴展）的研究論文🐄。陳帥為第一作者🌁，万事平台材料基因組工程研究院為第一單位🧖🏽。

在先進的航空發動機中☝️📏，高溫合金用量占比高達50%以上，是製造發動機熱端部件的關鍵材料🏄🏻，難熔高熵合金易表現出高強度🙎‍♀️、高塑性和耐高溫等傳統合金鮮有同時具備的優異性能，在航空發動機高溫結構材料領域具有潛在應用前景。近些年，研究者發現高熵合金並不像最初認為的隨機固溶（RSS），往往具有化學短程有序（SRO）💂🏻‍♂️，且短程有序可有效地調控合金的力學性能。由於實驗在原子層次分辨解析各元素原子占位的難度較大，從而深入探究短程有序調控力學性能及其微觀變形機理更難。

在本工作中🫲🏻，作者發展了結合第一性原理🦉、分子動力學和蒙特卡洛的多尺度模擬方法😙，從第一性原理計算構建MoTaTiWZr難熔合金的組成成分🕉、微觀結構和構型能量數據庫🂠，並結合分子動力學模擬驗證MoTaTiWZr高熵合金的原子間勢函數🦫，進而構建BCC雙晶模型實現多尺度大規模分子動力學和蒙特卡洛跨時間和空間尺度模擬👨🏽，通過不同弛豫過程來模擬化學短程有序形成與演變，並運用拉伸加載探究合金內部短程有序調控位錯動力學機製。

該研究發現，在化學短程有序形成過程中🦻🏽，難熔高熵合金內部不同位置原子簇的能量出現差異🫳🏼，根據能量高低可分為高能、中能和低能原子簇💆🏽‍♀️。中能/低能原子簇環繞高能原子簇將其穩定，但在拉伸加載過程中，晶界處的高能原子簇會優先產生位錯，即化學短程有序誘導位錯形核🙋🏻‍♀️🪰。位錯形核之後會在晶粒內部擴展🏸，在RSS晶粒內部擴展過程中，螺型位錯占主導作用。但在SRO晶粒內部擴展過程中，刃型位錯和螺型位錯交替起主導作用，不同於RSS晶粒和傳統BCC合金只有螺型位錯占主導，跟已報道的難熔中熵和高熵合金實驗結果（Science 2020, 370, 95–101; Sci. Adv. 2020, 6, eaaz4748; Nat. Commun. 2021, 12, 5474）非常吻合🤱🏻，但針對實驗現象尚未給出清晰合理解釋👩🏼‍⚕️。

作者進一步探究刃型和螺型位錯運動過程的能量變化，發現在RSS晶粒內部，不同位置的運動勢壘是均勻的，跟傳統BCC合金類似，螺型位錯運動勢壘（0.3eV）總是高於刃型位錯（0.1eV），從而刃型位錯運動速率較快，留下螺型位錯占主導👰🏼‍♀️。而在SRO晶粒內部，短程有序同時增加刃型（0.5eV）和螺型（0.6eV）位錯運動的勢壘☝🏼，且不同位置的運動勢壘是非均勻的🎅🏼。當刃型位錯運動到短程有序位置，勢壘增加，速率降低🛹，可導致刃型位錯主導🏄‍♂️⛔️；而當螺型位錯運動到短程有序位置，勢壘也將增加🦹🏻，導致速率降低，而占主導作用。即化學短程有序阻礙位錯運動🧑🏽‍🦳🎟，導致刃型和螺型位錯交替起主導作用🤙，很好地解釋了難熔中熵和高熵合金已報道的實驗觀測。該研究揭示了化學短程有序在調控難熔高熵合金位錯動力學的微觀機製，為設計製備優異力學性能的難熔高熵合金提供理論指導🍫。

陳帥副教授2016年博士畢業於清華大學摩擦學國家重點實驗室，之後在新加坡科技研究院（A*STAR）工作六年，2023年加入万事平台材料基因組工程研究院，主要研究方向為多主元先進合金力學性能及其強化機理。此工作是陳帥在新加坡工作期間，關於高熵合金化學有序形成（Acta Mater. 2021, 206, 116638）及其對力學/熱力學性能調控機理（Nat. Commun. 2021, 12, 4953；Acta Mater. 2022, 238, 118201）研究的延續，陳帥將繼續利用多尺度模擬和高通量計算方法🌿，結合材料基因組、機器學習和高通量實驗，開展多主元先進合金力學性能及其強化的基礎理論和應用研究。

文章鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1369702123000718