一种提升Ir-Rh合金塑性的方法及Ir-Rh合金

技术领域

本发明涉及高温合金成分设计技术领域，具体涉及一种提升Ir-Rh合金塑性的方法及Ir-Rh合金。

背景技术

铱(Ir)具有较高的熔点和优异的耐腐蚀性能，广泛被用作高温热电偶和火花塞电极，面临着高温、氧化、腐蚀等严苛的服役环境。然而，铱主要以沿晶断裂模式失效，呈现出明显的脆性断裂。为了改善Ir的塑性，通常采用合金化的方法，添加少量合金元素，形成Ir基多元合金。Yamabe-Mitarai等研究者发现钨能够明显提升铱的塑性，例如Ir-0.3wt.％W合金。此外，通过微量元素(如钍或铈)掺杂，可以进一步提升Ir-0.3W合金的塑性，如Liu等人研发了DOP-26合金(Ir-0.3W-0.006Th-0.005Al(wt.％))，该合金表现出优异的机械性能，广泛用作包裹钚燃料芯块的壳材料。然而，DOP-26合金在低氧分压条件下会形成ThO

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种提升Ir-Rh合金塑性的方法及Ir-Rh合金，采用本发明的方法在提升Ir-Rh合金塑性的同时，降低了合金成本，采用高通量计算的方法筛选合金元素，大大缩短了研发周期，降低研发成本。

本发明所采用的技术方案如下：

一种提升Ir-Rh合金塑性的方法，包括以下步骤：

步骤1：采用特殊准随机近似的方法，建立Ir-Rh二元合金固溶体的晶体结构，包括Ir

步骤2：基于第一性原理计算，对固溶体模型进行高精度的结构弛豫，获取静态总能和晶格常数，基于静态总能，确定合金元素在Ir

步骤3：基于固溶体模型的晶格常数，计算Ir-Rh二元合金固溶体和Ir-Rh-X三元合金固溶体的泊松比，堆垛层错能和D参数，评估其塑性，筛选潜在的合金元素种类；

步骤4：采用计算相图的方法，计算Ir-Rh-X三元合金的不稳定堆垛层错能，获取Ir-Rh-X三元合金的成分范围。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

1.对整个过渡族元素进行系统全面筛选，获取能够同时提高Ir-Rh合金塑性，降低Ir-Rh合金成本的合金种类；同时，采用计算相图的方法对Ir-Rh-X三元合金富Ir端的塑性进行评价，对合金成分进行进一步优化。

2.由于过渡族合金元素的加入，大大降低了贵金属的使用量，使得在提升Ir-Rh合金塑性的同时，降低了合金成本。

3.采用高通量计算的方法筛选合金元素，大大缩短了研发周期，降低研发成本。

作为本发明优选的实施方式，所述步骤1包括：

步骤1.1基于Materials Project数据库获取Ir的晶体结构，空间群为Fm-3m，空间群号为No.225，单胞包含4个Ir原子；基于Materials Project数据库获取Rh的晶体结构，空间群为Fm-3m，空间群号为No.225，单胞包含4个Rh原子；

步骤1.2对Ir的单胞进行矢量转换，使其x轴为单胞的[11-2]方向，y轴为单胞的[1-10]方向，z轴为单胞的[111]方向，同时将矢量转换所得到的晶胞扩大为2×2×2的超胞(Ir

步骤1.3采用特殊准随机近似的方法，建立Ir-Rh二元合金固溶体的晶体结构，包括Ir

步骤1.4考虑Rh原子和合金元素的3种近邻关系，分别是：第一近邻(P1(0.0250，0.750，0.500)、P2(0.0500，0.500，0.500)、P3(0.050，0.000，0.500)、P4(0.166，0.000，0.666)和P5(0.4160，0.0250，0.666))、第二近邻(P6(0.416，0.0750，0.666)、P7(0.0750，0.0250，0.500)、P8(0.666，0.000，0.666)、P9(0.333，0.000，0.833)和P10(0.833，0.0250，0.833))和第三近邻(P11(0.0750，0.0750，0.500)和P12(0.583，0.0250，0.833)))，将Ir

本方案通过特殊准随机近似方法同时考虑合金元素的不同近邻位置能够最大程度的描述无序合金的真实情况，使得计算结果与实际相符。

作为本发明优选的实施方式，所述步骤2包括：

步骤2.1基于第一性原理计算，对Ir、Ir

步骤2.2基于第一性原理计算，对Ir

步骤2.3采用结合能评估合金元素在Ir

ΔE＝E(Ir

其中E(Ir

本方案通过高精度的结构弛豫，准确获取每个晶体结构对应的基态能量，确定合金元素的择优占位，使得计算结果与实际相符。

作为本发明优选的实施方式，所述步骤3包括：

步骤3.1采用应力-应变法计算Ir-Rh二元合金固溶体和Ir

G

G

G＝(G

其中G

步骤3.2计算Ir-Rh二元合金固溶体和Ir

其中E0和Eb分别为完整晶胞和具有层错晶胞的能量。A为堆垛层错面积，γ为堆垛层错；

步骤3.3进一步采用Rice标准评估Ir-Rh二元合金固溶体和Ir

其中γ

步骤3.4同时考虑泊松比、不稳定堆垛层错能和D值，筛选有效合金元素种类。

本方案同时考虑泊松比和Rice标准，判断合金元素对Ir-Rh合金塑性的影响，提升准确度。

作为本发明优选的实施方式，所述步骤4包括：

步骤4.1采用计算相图的方法，计算Ir-Rh-X三元合金的堆垛层错能，优化合金元素的浓度，如下所示，

γ

其中x

步骤4.2以Ir-30Rh的不稳定堆垛层错能作为参照，获取三元合金成分范围。

本方案通过固定成分的堆垛层错能结合计算相图的方法，外推获取不同组分的堆垛层错能，快速优化合金成分。

采用上述任一项所述的一种提升Ir-Rh合金塑性的方法制备的Ir-Rh合金。

作为本发明优选的实施方式，Ir-Rh合金为Ir-Rh-Cu合金，成分范围为：21.5-30.0at.％Rh，0.3-3.0at.％Cu，Ir为余量。

作为本发明优选的实施方式，Ir-Rh合金为Ir-Rh-Zn合金(成分范围为：23.3-30.0at.％Rh，0.4-3.0at.％Zn，Ir为余量。

作为本发明优选的实施方式，Ir-Rh合金为Ir-Rh-Cd合金，成分范围为：16.5-30.0at.％Rh，0.1-3.0at.％Cd，Ir为余量。

作为本发明优选的实施方式，Ir-Rh合金为Ir-Rh-Hf合金，成分范围为：25.2-30.0at.％Rh，0.1-3.0at.％Hf，Ir为余量。

附图说明

附图1为本发明一种提升Ir-Rh合金塑性的方法的流程图；

附图2为Ir-Rh二元合金固溶体的晶体结构图；

附图3为Ir-Rh二元合金的层错能、泊松比和D参数图；

附图4为Ir

附图5为合金元素在Ir

附图6为Ir

附图7为Ir

附图8为Ir

附图9为Ir-Rh-X三元合金的不稳定堆垛层错能和稳定堆垛层错能图。

具体实施方式

体现本发明特征与优点的典型实施方式将在以下的说明中具体叙述。应理解的是本发明能够在不同的实施方式上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及图示在本质上是当作说明之用，而非用以限制本发明。

以下各实施例公开了一种提升Ir-Rh合金塑性的方法，如附图1所示，包括以下步骤：

步骤1：建立Ir-Rh二元合金固溶体和Ir-Rh-X三元合金固溶体模型

步骤1.1基于Materials Project数据库获取Ir和Rh的晶体结构；

步骤1.2对Ir的单胞进行矢量转换，使其x轴为单胞的[11-2]方向，y轴为单胞的[1-10]方向，z轴为单胞的[111]方向，同时将矢量转换所得到的晶胞扩大为2×2×2的超胞(Ir

步骤1.3采用特殊准随机近似的方法，建立Ir-Rh二元合金固溶体的晶体结构，包括Ir

步骤1.4考虑Rh原子和合金元素的3种近邻关系，分别是：第一近邻(P1(0.0250，0.750，0.500)、P2(0.0500，0.500，0.500)、P3(0.050，0.000，0.500)、P4(0.166，0.000，0.666)和P5(0.4160，0.0250，0.666))、第二近邻(P6(0.416，0.0750，0.666)、P7(0.0750，0.0250，0.500)、P8(0.666，0.000，0.666)、P9(0.333，0.000，0.833)和P10(0.833，0.0250，0.833))和第三近邻(P11(0.0750，0.0750，0.500)和P12(0.583，0.0250，0.833)))，将Ir

步骤2：高精度结构弛豫，获取晶格常数

步骤2.1基于第一性原理计算，对Ir、Ir

步骤2.2基于第一性原理计算，对Ir

表1Ir-Rh二元合金固溶体的晶体结构信息

步骤2.3基于静态总能，按如下公示计算Ir

ΔE＝E(Ir

其中E(Ir

表2Ir

步骤3：评估Ir-Rh二元合金固溶体和Ir-Rh-X三元合金固溶体的塑性

步骤3.1采用应力-应变法计算Ir-Rh二元合金固溶体和Ir

G

G

G＝(G

其中G

步骤3.2计算Ir-Rh二元合金固溶体和Ir

其中E0和Eb分别为完整晶胞和具有层错晶胞的能量。A为堆垛层错面积，γ为堆垛层错；

步骤3.3进一步采用Rice标准评估Ir-Rh二元合金固溶体和Ir

其中γ

步骤3.4同时考虑泊松比、不稳定堆垛层错能和D值，筛选有效合金元素种类。

步骤4：Ir-Rh-X三元合金的成分优化

步骤4.1采用计算相图的方法，计算Ir-Rh-X三元合金的堆垛层错能，优化合金元素的浓度，如下所示，

γ

其中x

步骤4.2以Ir-30Rh的不稳定堆垛层错能作为参照，获取三元合金成分范围。

下面分别以Ir-Rh二元合金、Ir-Rh-X(X＝Cu、Zn、Cd和Hf)三元合金为例，以详细的阐述本发明的具体步骤，筛选其余有效合金元素方法相同。

实施例1

本实施例公开了一种Ir-Rh-Cu三元合金及其制备方法，具体如下：

步骤1建立Ir-Rh-Cu三元合金固溶体模型

步骤1.1基于Materials Project数据库获取Ir和Rh的单胞晶体结构；

步骤1.2对Ir的单胞进行矢量转换，使其x轴为单胞的[11-2]方向，y轴为单胞的[1-10]方向，z轴为单胞的[111]方向，同时将矢量转换所得到的晶胞扩大为2×2×2的超胞(Ir

步骤1.3将Ir

步骤2高精度结构弛豫，获取晶格常数

步骤2.1基于第一性原理计算，对Ir

步骤2.3采用结合能评估合金元素在Ir

步骤3评估Ir

步骤3.1采用应力-应变法结合Voigt-Reuss-Hill定律计算弹性模量，Ir

步骤3.2计算Ir

步骤3.3进一步采用Rice标准评估合金的塑性，Ir

步骤3.4综合考虑Ir

步骤4Ir-Rh-Cu三元合金的成分优化

步骤4.1采用计算相图的方法，计算Ir-Rh-Cu三元合金的堆垛层错能，优化合金元素的浓度。γ

步骤4.2以Ir-30Rh的不稳定堆垛层错能作为参照，图9中的合金成分范围被划分为了两个区域，区域1中的合金成分能够明显降低合金的不稳定堆垛层错能和稳定堆垛层错能，Ir-Rh-Cu合金的成分范围为：21.5-30.0at.％Rh，0.3-3.0at.％Cu，Ir为余量。

实施例2

本实施例公开了一种Ir-Rh-Zn三元合金及其制备方法，具体如下：

步骤1建立Ir-Rh-Zn三元合金固溶体模型

步骤1.1基于Materials Project数据库获取Ir和Rh的单胞晶体结构；

步骤1.2对Ir的单胞进行矢量转换，使其x轴为单胞的[11-2]方向，y轴为单胞的[1-10]方向，z轴为单胞的[111]方向，同时将矢量转换所得到的晶胞扩大为2×2×2的超胞(Ir

步骤1.3将Ir

步骤2高精度结构弛豫，获取晶格常数

步骤2.1基于第一性原理计算，对Ir

步骤2.2采用结合能评估合金元素在Ir

步骤3评估Ir

步骤3.1采用应力-应变法结合Voigt-Reuss-Hill定律计算弹性模量，Ir

步骤3.2计算Ir

步骤3.3进一步采用Rice标准评估合金的塑性，Ir

步骤3.4综合考虑Ir

步骤4Ir-Rh-Zn三元合金的成分优化

步骤4.1采用计算相图的方法，计算Ir-Rh-Zn三元合金的堆垛层错能，优化合金元素的浓度。γ

步骤4.2以Ir-30Rh的不稳定堆垛层错能作为参照，图9中的合金成分范围被划分为了两个区域，区域1中的合金成分能够明显降低合金的不稳定堆垛层错能和稳定堆垛层错能，Ir-Rh-Zn合金的成分范围为：23.3-30.0at.％Rh，0.4-3.0at.％Zn，Ir为余量。

实施例3

本实施例公开了一种Ir-Rh-Cd三元合金及其制备方法，具体如下：

步骤1建立Ir-Rh-Cd三元合金固溶体模型

步骤1.1基于Materials Project数据库获取Ir和Rh的单胞晶体结构；

步骤1.2对Ir的单胞进行矢量转换，使其x轴为单胞的[11-2]方向，y轴为单胞的[1-10]方向，z轴为单胞的[111]方向，同时将矢量转换所得到的晶胞扩大为2×2×2的超胞(Ir

步骤1.3将Ir

步骤2高精度结构弛豫，获取晶格常数

步骤2.1基于第一性原理计算，对Ir

步骤2.2采用结合能评估合金元素在Ir

步骤3评估Ir

步骤3.1采用应力-应变法结合Voigt-Reuss-Hill定律计算弹性模量，Ir

步骤3.2计算Ir

步骤3.3进一步采用Rice标准评估合金的塑性，Ir

步骤3.4综合考虑Ir

步骤4Ir-Rh-Cd三元合金的成分优化

步骤4.1采用计算相图的方法，计算Ir-Rh-Cd三元合金的堆垛层错能，优化合金元素的浓度。γ

步骤4.2以Ir-30Rh的不稳定堆垛层错能作为参照，图9中的合金成分范围被划分为了两个区域，区域1中的合金成分能够明显降低合金的不稳定堆垛层错能和稳定堆垛层错能，Ir-Rh-Cd合金的成分范围为：16.5-30.0at.％Rh，0.1-3.0at.％Cd，Ir为余量。

实施例4

本实施例公开了一种Ir-Rh-Hf三元合金及其制备方法，具体如下：

步骤1建立Ir-Rh-Hf三元合金固溶体模型

步骤1.1基于Materials Project数据库获取Ir和Rh的单胞晶体结构；

步骤1.2对Ir的单胞进行矢量转换，使其x轴为单胞的[11-2]方向，y轴为单胞的[1-10]方向，z轴为单胞的[111]方向，同时将矢量转换所得到的晶胞扩大为2×2×2的超胞(Ir

步骤1.3将Ir

步骤2高精度结构弛豫，获取晶格常数

步骤2.1基于第一性原理计算，对Ir

步骤2.2采用结合能评估合金元素在Ir

步骤3评估Ir

步骤3.1采用应力-应变法结合Voigt-Reuss-Hill定律计算弹性模量，Ir

步骤3.2计算Ir

步骤3.3进一步采用Rice标准评估合金的塑性，Ir

步骤3.4综合考虑Ir

步骤4Ir-Rh-Hf三元合金的成分优化

步骤4.1采用计算相图的方法，计算Ir-Rh-Hf三元合金的堆垛层错能，优化合金元素的浓度。γ

步骤4.2以Ir-30Rh的不稳定堆垛层错能作为参照，图9中的合金成分范围被划分为了两个区域，区域1中的合金成分能够明显降低合金的不稳定堆垛层错能和稳定堆垛层错能，Ir-Rh-Hf合金的成分范围为：25.2-30.0at.％Rh，0.1-3.0at.％Hf，Ir为余量。

对比例1

本对比例是一种Ir-Rh二元合金及其制备方法，具体如下：

步骤1建立Ir-Rh二元合金固溶体模型

步骤1.1基于Materials Project数据库获取Ir和Rh的单胞晶体结构；

步骤1.2对Ir的单胞进行矢量转换，使其x轴为单胞的[11-2]方向，y轴为单胞的[1-10]方向，z轴为单胞的[111]方向，同时将矢量转换所得到的晶胞扩大为2×2×2的超胞(Ir

步骤1.3基于Ir

步骤2高精度结构弛豫，获取晶格常数

步骤2.1基于第一性原理计算，对步骤1中获取的6个晶体结构，包括Ir、Ir

步骤3评估Ir-Rh二元合金固溶体的塑性

步骤3.1采用应力-应变法结合Voigt-Reuss-Hill定律计算弹性模量，Ir、Ir

步骤3.2计算Ir-Rh二元合金在<111>面沿[11-2]方向滑移的堆垛层错能曲线，Ir、Ir

步骤3.3进一步采用Rice标准评估合金的塑性，Ir、Ir

上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。