The Effect of Electronic Structure on the Phases Present in High Entropy Alloys

Abstract

Multicomponent systems, termed High Entropy Alloys (HEAs), with predominantly single solid solution phases are a current area of focus in alloy development. Although different empirical rules have been introduced to understand phase formation and determine what the dominant phases may be in these systems, experimental investigation has revealed that in many cases their structure is not a single solid solution phase, and that the rules may not accurately distinguish the stability of the phase boundaries. Here, a combined modelling and experimental approach that looks into the electronic structure is proposed to improve accuracy of the predictions of the majority phase. To do this, the Rigid Band model is generalised for magnetic systems in prediction of the majority phase most likely to be found. Good agreement is found when the predictions are confronted with data from experiments, including a new magnetic HEA system (CoFeNiV). This also includes predicting the structural transition with varying levels of constituent elements, as a function of the valence electron concentration, n, obtained from the integrated spin-polarised density of states. This method is suitable as a new predictive technique to identify compositions for further screening, in particular for magnetic HEAs.

A Combinatorial Approach for Assessing the Magnetic Properties of High Entropy Alloys: Role of Cr in AlCoxCr1–xFeNi

“…The hybridization effect between the d‐orbitals of transition metals (Fe, Ni, Cr, Co) and valence electrons of Al plays a crucial role in structural stability and their magnetic properties . Among the B2 compounds formed between Al and transition metals, the B2‐AlNi phase has the most negative enthalpy of formation.…”

High temperature, low neutron cross-section high-entropy alloys in the Nb-Ti-V-Zr system

“…Many single-phase HEAs are stabilised at elevated temperatures and may precipitate or phase separate when aged at lower temperatures (823 -1473 K)[40][41][42][43][44][45][46][47]. The calculated enthalpies of mixing for the solid-solution phases, , of Zr0.5HEA, Zr1HEA and Zr2HEA, are all positive and therefore require entropy to stabilise.…”

Экспериментально-теоретическое исследование эволюции атомной структуры высокоэнтропийных сплавов на основе Fe, Cr, Ni, Mn и Co при термическом и радиационном старении

“…Тем не менее, было показано [3][4][5][6], что конфигурационная энтропия не всегда является основным фактором, определяющим фазовый состав ВЭС. Также следует учитывать и другие факторы, например, энтальпии смешения компонентов, вклад колебательной и электронной энтропии и т. д. Было предложено несколько методик для прогнозирования фазового состава ВЭС [7][8][9][10][11][12][13][14]. В этих работах предложены различные численные критерии образова-ния неупорядоченного твердого раствора или выделения вторичных фаз.…”

“…Эти критерии основаны на энтальпиях образования бинарных соединений [7], энтальпиях образования [8] и энергиях Гиббса [11] интерметаллидов и неупорядоченного твердого раствора, конфигурационной и избыточной энтропии [9], межатомных расстояниях и объемных модулях упругости [10]. Также используется различие в зонной структуре [12], электроотрицательность [13], энтальпии смешения и несоответствие атомных радиусов [14]. Тем не менее, ни один из этих подходов не способен точно определять структуры и фазовые составы ВЭС.…”