Ni-Ni3Al中擴(kuò)散與力學(xué)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(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)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(shí)驗(yàn)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(qiáng)化因素以及原子的擴(kuò)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(jìn)而揭示高溫合金中合金元

2、素、析出相以及相界面的強(qiáng)化機(jī)制，精確描述相界面的原子排布，同時(shí)考察各種元素的擴(kuò)散特性。
　　本文首先利用第一性原理計(jì)算討論了Ni基體中的自擴(kuò)散與雜質(zhì)擴(kuò)散。計(jì)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(jì)算了溶質(zhì)-空位結(jié)合熵，考察了聲子對(duì)于溶質(zhì)擴(kuò)散的影響。在五重跳躍模型中，Co、Ru和Re原子的引入對(duì)于各跳躍擴(kuò)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(kuò)散，而相反，Ru和Re原子的引入則會(huì)抑制周圍Ni原子的擴(kuò)散。Re擴(kuò)散時(shí)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(shí)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(jì)算得到不同合金元素的擴(kuò)散因子隨溫度的變化發(fā)現(xiàn)Re原子即使在高溫時(shí)也很難回到初始位置。Ni基體中原子擴(kuò)散的擴(kuò)散系數(shù)大小趨勢為Co>Ni>Ru>Re。
　　揭示了Ni3Al中Ni和Al的自擴(kuò)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(jì)算得到的缺陷形成能的大小相一致。溫度相同時(shí)， Ni3Al中 Al的擴(kuò)散較 Ni慢?？疾斐煞忠蕾嚂r(shí)，Ni的自擴(kuò)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(kuò)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(kuò)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(yùn)用分子動(dòng)力學(xué)方法結(jié)合改進(jìn)的分析型嵌入原子勢(MAEAM)對(duì)于合金元素的固溶強(qiáng)化機(jī)制進(jìn)行了研究。通過研究Ni基體相中的刃位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，表明固溶原子對(duì)于刃位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)具有阻礙作用。在添加相同濃度替位原子時(shí)，Ru元素對(duì)于刃位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)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(shí)對(duì)于位錯(cuò)的阻礙作用很明顯。對(duì)于合金元素的固溶強(qiáng)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(jī)制為合金元素通過與位錯(cuò)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(cuò)能升高，使得位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)過程中需要耗費(fèi)更多能量，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)形成固溶強(qiáng)化作用。
　　研究了單晶Ni、Al和Ni3Al的納米壓痕特性?；诮Y(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(cuò)能與本征層錯(cuò)能的比值，使得Ni3Al中

7、易于形成分位錯(cuò)，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(qiáng)化了高溫合金。對(duì)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(duì)于Re原子分布以及對(duì)Ni/Ni3Al界面結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行了研究。Ni/Ni3Al的界面為有序-無序界面，其界面過渡區(qū)域?yàn)?-10個(gè)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(tuán)