我校教师在相图热力学与合金材料设计领域取得新进展

近期，研究中心胡标教授团队在相图热力学与合金材料设计领域取得新进展，研究成果以安徽理工大学为第一单位在Corrosion Science（中科院1区top，腐蚀顶刊，IF: 7.4）、Materials Today Physics（中科院1区，Materials Today 系列期刊，IF: 10.0）、Journal of Materials Research and Technology（中科院1区，IF: 6.2）、Transactions of Nonferrous Metals Society of China（中科院1区，中国高质量科技期刊T1级别，IF: 4.7）、Calphad（中科院2区，国际相图领域权威期刊，IF：1.9）等国内外期刊相继发表。

当前新材料的研发模式仍主要停留在依赖于经验和实验的“试错法”，存在研发效率低、成本高等瓶颈问题，远远无法满足高新技术和高端装备对新材料迭代发展的需求。材料高通量计算和集成计算材料工程为新材料研发提供了一种全新的范式。胡标教授团队致力于开发新材料研发所必需的热/动力学、热导率、粘度等材料热物性数据库，推动计算-实验-大数据的深入融合，运用高通量计算技术，快速获取大量相关候选材料的性质，实现面向目标性能的材料理性设计，加速新材料的研发与应用。基于此，团队近期取得的研究成果如下：

钛合金的腐蚀行为与其成分和微观结构密切相关，研究发现Ti 合金的耐腐蚀性主要受(αTi)和(βTi)相的影响，Ti-Al-Mo合金的有序相B2与(βTi)、AlTi₃和 AlTi相比具有更高的电位，容易在合金表面产生电位差，导致低电位相发生腐蚀。因此，在设计钛合金成分时，避免B2相并将相组成保持为AlTi₃ 和(βTi)相是提高钛合金耐腐蚀性能的关键。胡标团队通过钛合金热力学数据库高通量计算筛选出吉布斯能最正的Ti₅₅Al₄₀Mo₅合金，通过电化学实验验证了该合金的耐腐蚀性最好。本研究证明了相图计算（CALPHAD）方法在合金设计中的重要作用，热力学数据库为新型合金的高效开发提供了重要的理论支持。相关研究结果以“Corrosion resistance investigation of the Ti-Al-Mo system supported by CALPHAD approach and key experiments”为题发表在Corrosion Science（2024, 229, 111857）上，论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0010938X24000416。

在进行新型合金材料设计时，了解合金的热导率可以掌握合金的热传导能力，较高的热导率会促使合金在凝固和加工过程中均匀散热，从而消除对力学性能有害的“热蚀现象”，同时可以降低合金基体的热应力，以提高其抗疲劳性能。胡标团队通过铜合金热力学数据库高通量计算设计了11个二元合金并测试了其热导率，建立了热导率随温度与成分变化的热物性模型，通过实验数据进行优化获得模型参数，并与热力学数据库进行耦合，最终计算得到了各合金体系热导率随温度与成分变化趋势图，可为设计新型铜合金提供可靠的热导率信息。相关研究结果以“Experimental investigation and CALPHAD modeling of thermal conductivities of the Cu-Ag-Cr-Zr system”为题发表在Materials Today Physics（2024, 46, 101502）上，论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2542529324001780。

CALPHAD方法可通过少量的关键实验结合热力学计算得到多元多相体系的相平衡信息，进而掌握材料组成与结构的关系。胡标团队基于CALPHAD方法针对Cu-Cr-Ag-X (X=Y, Zr)体系设计了18个关键合金，研究了多个温度下不同合金成分的相平衡，通过优化计算建立了多元合金体系的热力学数据库，并对合金的凝固组织进行了模拟。相关研究结果以“Phase equilibria and solidification sequences of the Cu-Cr-Ag-X (X=Y, Zr) alloys supported by key experiments and CALPHAD method”为题发表在中科院1区期刊Journal of Materials Research and Technology（2024, 32, 967-984）上，论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2238785424017630。

材料摩擦磨损性能与材料成分、结构之间的关系，是设计特定结构功能一体化材料时需要掌握的必要信息。胡标团队通过CALPHAD高通量计算，设计了5个Cu-Zr-Si合金，测量了维氏硬度和摩擦磨损性能，以及使用扫描电镜和3D轮廓技术分析了磨损形态。结果表明，合金Cu₈₀Zr₁₉Si₁具有良好的性能，硬度为342 HV，摩擦系数为0.23，磨损率为2.19 (10^-7 mm³/(N·m))。磨损表面主要以犁沟、剥落坑和氧化颗粒为特征，磨损机制主要为粘着磨损和磨粒磨损，为新型耐磨铜基合金的开发提供了理论指导与数据支持。相关研究结果以“Investigation on the phase equilibria and friction and wear mechanism of Cu-Zr-Si alloys”发表在Transactions of Nonferrous Metals Society of China上，目前正在出版中。

此外，多元多相合金材料的相平衡、相变、凝固、粘度等方面的研究成果相继发表在Calphad（2024, 86, 102724；2023, 83, 102623；2023, 82, 102597；2023, 82, 102581）、Journal of Materials Research and Technology（2024, 30, 8731-8739；2023, 26, 260-266）、Transactions of Nonferrous Metals Society of China（2023, 33, 2784-2798；2023, 33, 997-1014；2023, 33, 824-838）等期刊上。

胡标为上述论文的第一或通讯作者，硕士生曾港、金程刚、石愈超、李奔富、刘玉玲、王雨霏、左锐等以及团队成员王庆平教授、盛绍顶副教授、张超教授、兰新月博士等为成果的完成做出了重要贡献。

上述研究成果获国家自然科学基金面上项目（52071002）、安徽省高校杰出青年项目（2023AH020027）、安徽省高校协同创新项目（GXXT-2023-019）、安徽省自然科学基金（2008085QE200）等项目的支持。