Ni-Ni3Al中擴散與力學行為的原子模擬.pdf

1、鎳基高溫合金具有優(yōu)異的抗蠕變、抗斷裂、抗氧化和耐腐蝕等性能，廣泛應(yīng)用于航空航天、石油化工、航海設(shè)備等工業(yè)領(lǐng)域，是制造航空發(fā)動機、燃氣輪機等熱端器件的關(guān)鍵材料。鎳基高溫合金包含多種合金元素以及復(fù)雜的界面相結(jié)構(gòu)，微觀結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性使得實驗上精確表征高溫合金的結(jié)構(gòu)特征以及合金原子分布存在困難，特別是在高溫合金中的各強化因素以及原子的擴散特性難以確定。而基于理論模型的原子模擬卻能從原子尺度理解合金元素與基體原子的相互作用，進而揭示高溫合金中合金元

2、素、析出相以及相界面的強化機制，精確描述相界面的原子排布，同時考察各種元素的擴散特性。
　　本文首先利用第一性原理計算討論了Ni基體中的自擴散與雜質(zhì)擴散。計算了過渡金屬元素與空位的結(jié)合能，發(fā)現(xiàn)Re的溶質(zhì)-空位結(jié)合能在所有過渡族元素中是最高的，且發(fā)現(xiàn)Co、Ru和Re原子與空位呈現(xiàn)排斥相互作用。計算了溶質(zhì)-空位結(jié)合熵，考察了聲子對于溶質(zhì)擴散的影響。在五重跳躍模型中，Co、Ru和Re原子的引入對于各跳躍擴散的影響研究發(fā)現(xiàn)Co原子的引入激

3、活了周圍Ni原子的擴散，而相反，Ru和Re原子的引入則會抑制周圍Ni原子的擴散。Re擴散時所需要的遷移能最高，其次為Ru原子，最低為Co原子。這與Re摻雜時與最近鄰Ni原子的成鍵相互作用顯示為啞鈴狀的區(qū)域相關(guān)。通過計算得到不同合金元素的擴散因子隨溫度的變化發(fā)現(xiàn)Re原子即使在高溫時也很難回到初始位置。Ni基體中原子擴散的擴散系數(shù)大小趨勢為Co>Ni>Ru>Re。
　　揭示了Ni3Al中Ni和Al的自擴散特性。研究了Ni3Al中缺陷分

4、布情況，結(jié)果表明其主要缺陷為Al反位置以及Ni反位置，其次為 Ni空位，而 Al空位濃度最低。其缺陷濃度趨勢與計算得到的缺陷形成能的大小相一致。溫度相同時， Ni3Al中 Al的擴散較 Ni慢。考察成分依賴時，Ni的自擴散系數(shù)隨著 Ni3Al中Ni成分的增加而降低，且在低溫條件下降低趨勢趨于明顯，起源于 Ni空位濃度隨 Ni成分的增加而減少。Al的自擴散系數(shù)也隨著 Ni成分的增加而降低，這源于在Ni3Al中較高的Ni原子比例抑制了Al反

5、位置缺陷的形成，擴散過程中起主導(dǎo)作用的Al反位置缺陷隨著Ni成分的增加而急劇降低。
　　運用分子動力學方法結(jié)合改進的分析型嵌入原子勢(MAEAM)對于合金元素的固溶強化機制進行了研究。通過研究Ni基體相中的刃位錯運動，表明固溶原子對于刃位錯的運動具有阻礙作用。在添加相同濃度替位原子時，Ru元素對于刃位錯運動的阻礙作用則比添加Co元素要明顯。而Re元素即使低濃度時對于位錯的阻礙作用很明顯。對于合金元素的固溶強化作用， Re元素最為明

6、顯，其次為Ru元素，最后為 Co元素。其微觀機制為合金元素通過與位錯滑移面上最近鄰基體原子成鍵形成相互作用，導(dǎo)致其堆垛層錯能升高，使得位錯運動過程中需要耗費更多能量，阻礙位錯運動形成固溶強化作用。
　　研究了單晶Ni、Al和Ni3Al的納米壓痕特性。基于結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)Ni和Al的納米壓痕過程中經(jīng)歷彈性形變與塑形形變，Ni3Al中由于形成微孿晶而存在偽彈性形變過程。Ni3Al析出相中高的不穩(wěn)定層錯能與本征層錯能的比值，使得Ni3Al中

7、易于形成分位錯，且在晶體中壓頭下方區(qū)域釘扎從而形成微孿晶，推遲了塑形形變的發(fā)生，強化了高溫合金。對于壓頭的尺寸效應(yīng)發(fā)現(xiàn)，壓頭尺寸越小所需要的塑形形變應(yīng)力越高。
　　結(jié)合蒙特卡洛模擬對于Re原子分布以及對Ni/Ni3Al界面結(jié)構(gòu)的影響進行了研究。Ni/Ni3Al的界面為有序-無序界面，其界面過渡區(qū)域為8-10個原子層，過渡界面區(qū)域的寬度隨著溫度的升高而增加。模擬發(fā)現(xiàn)Re原子在Ni3Al析出相中優(yōu)先占據(jù)Al原子位置，沒有形成Re原子團