Al對Ni-Cr2O3界面結(jié)構(gòu)及力學性能影響的第一性原理研究.pdf

1、鎳基高溫合金由于其優(yōu)異的高溫抗氧化性能，成為現(xiàn)代國防和工業(yè)生產(chǎn)中的重要材料，被廣泛應(yīng)用于航空航天、石油化工、電力、海水作業(yè)等領(lǐng)域。目前，大量實驗研究顯示在高溫條件下鎳基合金表面會生成一種復雜的多層氧化膜結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)對基體合金的抗氧化保護。并且多種表征手段證實該復雜氧化膜結(jié)構(gòu)中含有NiO、Cr2O3、Al2O3和多種尖晶石結(jié)構(gòu)氧化物。但是，至今為止關(guān)于這種多層氧化膜結(jié)構(gòu)的微觀生長機理及分層過程的研究仍十分匱乏。
　　鑒于大量已開展

2、的實驗研究，本論文將采用第一性原理研究方法，從原子層次揭示實驗中鎳基合金表面多層氧化膜的形成過程，并且對該結(jié)構(gòu)的力學性能等方面進行綜合分析。首先，我們通過分析原子結(jié)構(gòu)和結(jié)合性能，對不同Ni(111)/Cr2O3(0001)界面模型的多種性能進行對比，選取一種相對穩(wěn)定的基體/氧化物界面結(jié)構(gòu);然后，以其為平臺研究了鎳基合金中Al原子在界面處的擴散途徑。研究結(jié)果證實，界面附近的合金元素Al原子將穿過Ni/Cr2O3界面進入Cr2O3內(nèi)部，通過

3、置換Cr原子的方式與O原子結(jié)合成鍵，形成致密的Al2O3氧化物，該結(jié)論表明實驗中Al2O3氧化物層的出現(xiàn)是合金內(nèi)部Al原子擴散、偏聚的結(jié)果。并且研究證實隨著Al原子向界面層的偏聚，最終將形成穩(wěn)定的Ni/Al2O3/Cr2O3多層氧化膜結(jié)構(gòu)，即詮釋了Ni基合金氧化膜結(jié)構(gòu)中外層為Cr2O3，而內(nèi)層形成Al2O3層的實驗現(xiàn)象，實現(xiàn)了對多層氧化膜結(jié)構(gòu)形成及生長機理的微觀電子闡釋。正是由于Al原子擴散引發(fā)的這種擇優(yōu)氧化，形成了致密的多層氧化膜結(jié)構(gòu)

4、，從而阻止氧原子進一步向基體內(nèi)部擴散，最終實現(xiàn)Ni基合金優(yōu)異的高溫抗氧化性能。
　　此外，表面氧化膜與基體材料之間的界面結(jié)合能力與合金的抗氧化性能和使用壽命密切相關(guān)。因此本論文還采用第一性原理方法，模擬并討論了單軸拉應(yīng)力對多種不同位向關(guān)系金屬/氧化物界面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響，試圖從原子和電子角度揭示實際外力環(huán)境作用下鎳基合金表面氧化膜的結(jié)合力和失效機制。研究發(fā)現(xiàn)位向關(guān)系為[1-10]∥[11-20]的Ni/Cr2O3界面拉伸時，變形首先