鎳基合金熔體局域結構的從頭算分子動力學研究.pdf

1、鎳基高溫合金廣泛應用于航空發(fā)動機渦輪盤、渦輪葉片以及后機匣等熱端部件。這些部件被加工成最終產品前都至少要經歷一次凝固過程。熔體作為凝固組織的母態(tài)，在本質上影響著形核以及枝晶的生長，從而影響凝固組織的特征，進一步影響零部件的力學性能和使用壽命。正確認識鎳基高溫合金熔體的結構對發(fā)展凝固理論以及調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，合金化元素之間復雜的相互作用導致鎳基高溫合金熔體結構的研究與分析相當困難，研究相對簡單的純金屬Ni以及二元鎳基合金的熔體結構無疑是一種較好的選擇。本文采用從頭算分子動力學方法研究了純Ni（輔之以純Al）和二元合金Ni1-xMx（M=Al、Ti、Ta、Nb、Cr、Mo、W和Re）熔體的局域結構。主要結論如下：
　　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，FCC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熔體的自擴散系數在943～1073K和1073～1523K兩個溫度區(qū)間滿足不同的Arrhenius關系，這主要是中心原子周圍存在5個和6個15xx+1431鍵對的配位多面體序含量在1073K附近隨溫度的非單調或非線性的演變導致的。
　　Ni1-xMx（M=Al、Ti、Ta、Nb、Mo和W）熔體中Ni-M相互作用強于Ni-Ni與M-M相互作用；Ni1-xCrx熔體中Ni-Ni相互作用強于Ni-Cr相互作用；Ni1-xRe

6、x熔體中Re-Re相互作用與Ni-Re相互作用強度接近，強于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致熔體中表現出不同的化學序。隨著溶質濃度增大至0.25，Ni1-xMx（M=Al、Ti、Ta和Nb）熔體的Cargill-Spaepen化學序參數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。隨著溶質濃度增大至0.25，這些Ni-M鍵可形成類似閃鋅礦結構的Ni-M網絡。該網絡導致熔體的偏結構因子與總結構因子在低q值區(qū)（1.0～2.2?-1）出現預峰。
　　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-液結構轉變。差熱分析實驗證實了該熔體的液-液結構轉變。當溫度從1923K升高至1948K，Ni0.852Al0.148熔體的偏配位數ZAlNi突然大幅減小，ZAlAl突然大

9、幅增大，化學序參數ηNiAl突然大幅減小。Ni0.852Al0.148熔體的液-液結構轉變存在明顯的焓變（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；化學序參數ηNiNb和ηNiW連續(xù)地減小。在本文所研究的溫度區(qū)間內，Ni0.87Nb0