《Computational Materials Science》：Stable HCP high-entropy alloys identified by knowledge-based screening and valence electron concentration criteria
编辑推荐：
高熵合金六方密堆积结构稳定性研究基于40,920种四元等原子比合金的筛选，通过原子半径、电负性差异及Miedema模型计算混合焓，结合第一性原理确定FCC/BCC/HCP结构形成能，发现HCP在VEC<3、3-10及>10区域均有稳定倾向，与单组元过渡金属的电子浓度趋势一致，为多组元合金设计提供新基准。
水关宏（Hiroshi Mizuseki）| 沙原亮二（Ryoji Sahara）| 本乡健太（Kenta Hongo）
韩国科学技术院（KIST），首尔02792，大韩民国
摘要
尽管针对面心立方（FCC）和体心立方（BCC）结构的高熵合金（HEAs）已经进行了大量研究，但与立方结构相比，六方密排（HCP）结构的高熵合金的形成条件和稳定性仍较少被探索。对高熵合金的全面研究需要高效可靠的方法来评估包含多种金属元素的广泛成分空间中的结构稳定性。在本研究中，我们从33种元素中任意选择四种元素，生成了40,920种等摩尔比的四元合金。基于原子半径和电负性差异、焓-熵竞争以及使用半经验Miedema模型计算的混合焓等标准进行了冶金筛选。这一筛选过程确定了1005种可能形成随机固溶体（RSS）的成分。对于这些候选成分，我们进行了第一性原理计算，以评估FCC、BCC和HCP结构的RSS形成能，从而确定每种成分最稳定的晶体结构。结果揭示了价电子浓度（VEC）与晶体结构分布之间的明显相关性。值得注意的是，HCP结构不仅频繁出现在介于FCC和BCC之间的中间VEC范围内，还出现在约3的低VEC区域和超过10的高VEC区域。这一趋势与个别4d和5d过渡金属的VEC依赖性结构偏好密切相关，表明组成元素的内在晶体结构可能在高熵合金中得以保留。我们的发现提供了VEC框架内HCP稳定性的系统数据集，并为多组分合金的开发提供了基础。
引言
高熵合金（HEAs）是一类通过混合多种主要元素以近乎等原子比例形成的材料。这些合金表现出卓越的机械和物理化学性能，这些性能通常无法通过传统的合金设计策略获得[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。特别是，它们的高强度、耐腐蚀性和热稳定性使它们成为航空航天、能源和生物医学领域应用的有希望的候选材料[6]、[7]、[8]。最近，高熵合金作为不依赖贵金属的可持续催化材料也受到了关注[9]、[10]。虽然高通量计算研究已经成功地绘制了面心立方（FCC）和体心立方（BCC）结构的稳定性图谱[11]、[12]、[13]，但对六方密排（HCP）结构的探索却明显不足[14]。尽管具有潜力，但对HCP形成条件的系统理解仍然是高熵合金研究中的一个显著知识空白。
价电子浓度（VEC）是预测高熵合金晶体结构的一种广泛采用的标准[15]；通常，高VEC时倾向于形成FCC结构，而低VEC时倾向于形成BCC结构。然而，这一传统框架主要关注FCC和BCC之间的竞争，而HCP相的稳定区域——尤其是在非传统VEC范围内——仍不清楚。武内（Takeuchi）和和田（Wada）[16]进一步使用VEC和周期表中组成元素的平均周期对高熵合金的晶体结构进行了分类。此外，通过实验和理论研究观察到VEC依赖的结构稳定性[17]、[18]、[19]、[20]，最近也有研究将VEC视为高熵合金中半有序相稳定性的相关指标[21]、[22]。有趣的是，在受磁效应影响较小的4d和5d过渡金属中，同一组内的元素表现出相同的晶体结构。这种内在的结构倾向可能作为基于VEC预测高熵合金相稳定性的有用指标。然而，尚需确定这些元素趋势是否可以推广到广泛的成分空间来预测HCP的稳定性。
本研究的目的是系统地绘制HCP相相对于FCC和BCC结构的VEC依赖性稳定性。通过结合冶金筛选和高通量第一性原理计算，我们评估了从33种元素中选出的1005种等摩尔比的四元成分。通过分析所得到的相稳定性图谱，我们旨在确定HCP结构变得有竞争力的具体VEC区域，并阐明组成元素的结构偏好在复杂多组分系统中的保留程度。
计算方法
为了系统地探索等摩尔比的四元高熵合金，我们开发了一个基于冶金知识的筛选框架。共选择了33种元素作为候选成分：Mg、Al、P、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Y、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、In、Sn、Lu、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt和Au。通过组合这些元素中的任意四种，可以生成40,920种可能的等摩尔比四元合金。由于对所有成分进行第一性原理计算在计算上非常耗时
结果与讨论
在本研究中，我们应用了基于冶金知识的筛选方法来识别有潜力的高熵合金（HEA）成分。从33种元素中任意选择四种元素生成的40,920种等摩尔比四元合金中，提取了1005种可能形成固溶体的成分。对所有可能的成分进行第一性原理计算在计算上是不切实际且效率低下的；因此，
结论
在这项研究中，我们对等摩尔比四元高熵合金的形成条件进行了系统的计算调查，特别关注将罕见的HCP结构整合到现有的基于VEC的框架中。从33种金属元素中筛选出了40,920种成分。通过应用包括原子半径和电负性差异、热力学稳定性以及使用Miedema模型计算的混合焓在内的冶金标准，我们缩小了
CRediT作者贡献声明
水关宏（Hiroshi Mizuseki）：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，研究，资金获取，正式分析，数据管理，概念化。沙原亮二（Ryoji Sahara）：撰写 – 审稿与编辑，验证，资源提供，方法论，资金获取，正式分析。本乡健太（Kenta Hongo）：撰写 – 审稿与编辑，监督，资源提供，项目管理，方法论，研究。
写作过程中生成式AI和AI辅助技术的声明
在准备本手稿的过程中，作者使用了Chat-GPT 5来改进语言和可读性。使用该工具后，所有作者根据需要审查和编辑了内容，并对出版物的内容负全责。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了HPCI系统 [项目ID: hp230037, hp230468, hp240027, hp250026, 和 hp250286]、JHPCN系统 [项目ID: jh230038 和 jh240026]、东北大学材料研究所 [提案编号: 202312-SCKXX-0502, 202412-SCKXX-0508] 以及国家材料科学研究所的数值材料模拟器的计算资源的支持。本工作中的计算部分使用了先进研究中心的设施
