鎳基合金熔體局域結(jié)構(gòu)的從頭算分子動(dòng)力學(xué)研究.pdf

1、鎳基高溫合金廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤、渦輪葉片以及后機(jī)匣等熱端部件。這些部件被加工成最終產(chǎn)品前都至少要經(jīng)歷一次凝固過程。熔體作為凝固組織的母態(tài)，在本質(zhì)上影響著形核以及枝晶的生長，從而影響凝固組織的特征，進(jìn)一步影響零部件的力學(xué)性能和使用壽命。正確認(rèn)識鎳基高溫合金熔體的結(jié)構(gòu)對發(fā)展凝固理論以及調(diào)控鎳基高溫合金凝固組織有著非常明顯的積極意義。由于鎳基高溫合金中除了基體元素Ni以外，仍有多種合金化元素如Al、Ti、Ta、Nb、Cr、Mo、W和R

2、e等，合金化元素之間復(fù)雜的相互作用導(dǎo)致鎳基高溫合金熔體結(jié)構(gòu)的研究與分析相當(dāng)困難，研究相對簡單的純金屬Ni以及二元鎳基合金的熔體結(jié)構(gòu)無疑是一種較好的選擇。本文采用從頭算分子動(dòng)力學(xué)方法研究了純Ni（輔之以純Al）和二元合金Ni1-xMx（M=Al、Ti、Ta、Nb、Cr、Mo、W和Re）熔體的局域結(jié)構(gòu)。主要結(jié)論如下：
　　Ni熔體中存在豐富的1551、1541和1431鍵對，較多的1661、1441鍵對和少量的1422、1421、13

3、21等鍵對。Ni熔體中的配位多面體序呈多樣性。在Ni熔體中發(fā)現(xiàn)了完整的二十面體序，但該類短程序在Ni熔體中并不占主導(dǎo)地位。Ni熔體的FCC和HCP短程序含量極少。隨著溫度從2123K降低至1473K，Ni熔體的配位數(shù)增大，熔體中的1661、1551和1441鍵對含量增加而其余的鍵對減少，同時(shí)有序程度相對較高的配位多面體序含量增加。
　　與Ni熔體類似，Al熔體中也存在豐富的1551、1541和1431鍵對，但是Al熔體中1422、

4、1421和1321鍵對含量相對較多。在各自熔點(diǎn)附近，Al熔體比Ni熔體有序程度低。Al熔體中的配位多面體序也呈多樣性。Al熔體中存在少量完整的二十面體序，F(xiàn)CC和HCP短程序極少。在943～1523K溫度區(qū)間，隨著溫度升高，Al熔體的配位數(shù)基本上線性地減小。隨著溫度升高，Al熔體中的1661、1651、1551、1541、1441和1431鍵對的含量逐漸降低，1321、1311、1301、1211和1201鍵對的含量逐漸增多，熔體變得更

5、加無序。Al熔體的自擴(kuò)散系數(shù)在943～1073K和1073～1523K兩個(gè)溫度區(qū)間滿足不同的Arrhenius關(guān)系，這主要是中心原子周圍存在5個(gè)和6個(gè)15xx+1431鍵對的配位多面體序含量在1073K附近隨溫度的非單調(diào)或非線性的演變導(dǎo)致的。
　　Ni1-xMx（M=Al、Ti、Ta、Nb、Mo和W）熔體中Ni-M相互作用強(qiáng)于Ni-Ni與M-M相互作用；Ni1-xCrx熔體中Ni-Ni相互作用強(qiáng)于Ni-Cr相互作用；Ni1-xRe

6、x熔體中Re-Re相互作用與Ni-Re相互作用強(qiáng)度接近，強(qiáng)于Ni-Ni相互作用。
　　在Ni1-xMx熔體中Ni-Ni、Ni-M和M-M三類相互作用的競爭導(dǎo)致熔體中表現(xiàn)出不同的化學(xué)序。隨著溶質(zhì)濃度增大至0.25，Ni1-xMx（M=Al、Ti、Ta和Nb）熔體的Cargill-Spaepen化學(xué)序參數(shù)ηNiM持續(xù)地增大，Ni1-xMox和Ni1-xWx熔體的ηNiM先增大后減小，Ni1-xCrx和Ni1-xRex熔體ηNiM值一直

7、較小。
　　Ni1-xMx（M= Al、Ti、Ta和Nb）熔體中的溶質(zhì)原子盡量分散在熔體中以便于形成盡量多的Ni-M鍵。隨著溶質(zhì)濃度增大至0.25，這些Ni-M鍵可形成類似閃鋅礦結(jié)構(gòu)的Ni-M網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)致熔體的偏結(jié)構(gòu)因子與總結(jié)構(gòu)因子在低q值區(qū)（1.0～2.2?-1）出現(xiàn)預(yù)峰。
　　在所研究的八種Ni1-xMx熔體中都存在豐富的1551、1541和1431鍵對，以及較多的1661和1441鍵對。這些熔體中以Ni-Ni和Ni

8、-M為根鍵的1661、1551和1441鍵對含量大體上隨著溶質(zhì)濃度的增大而減少。這些熔體中的配位多面體序都呈多樣性。這些熔體中存在少量完整的二十面體短程序，極少的FCC和HCP短程序。
　　Ni0.852Al0.148熔體在1723～2073K溫度區(qū)間發(fā)生了液-液結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。差熱分析實(shí)驗(yàn)證實(shí)了該熔體的液-液結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。當(dāng)溫度從1923K升高至1948K，Ni0.852Al0.148熔體的偏配位數(shù)ZAlNi突然大幅減小，ZAlAl突然大

9、幅增大，化學(xué)序參數(shù)ηNiAl突然大幅減小。Ni0.852Al0.148熔體的液-液結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變存在明顯的焓變（LL?H?578 Jmol-1）和熵變（LL?S?0.3 Jmol-1K-1），屬于一級相變。
　　隨著溫度升高，大體上Ni0.87Nb0.13和Ni0.852W0.148熔體中的ZNiNi和ZNiM連續(xù)地減??；ZNbNb和ZWW連續(xù)地增大；化學(xué)序參數(shù)ηNiNb和ηNiW連續(xù)地減小。在本文所研究的溫度區(qū)間內(nèi)，Ni0.87Nb0