Acta Mater.：第一性原理建模計算Ni3Al基合金的超晶格本征層錯能

【引言】

目前，Ni基高溫合金具有優異的高溫力學性能而被廣泛用于高性能航空發動機，高溫合金中的有序γ'（L1₂）Ni₃Al沉淀物占有很大體積分數，溫度對由有序強化產生的析出物的剪切強度和屈服應力有很大影響，Ni基超級合金在高溫下具有極高強度和變形抗力。SISF能量對于在滑移過程所形成的位錯的結構和能量有重要影響。有研究表明，在高應力和低中溫蠕變下，γ'相發生剪切（初級蠕變），相對于其他堆垛層錯配置而言，主要的面缺陷能是能量較低的SISF和SESF。了解對合金化過程中這些面缺陷能變化，可以更好地理解鎳基高溫合金中γ'相強化的剪切機制，同時在基于物理學的變形模型的開發航天和發電系統中也是至關重要的。

【成果簡介】

近日，伯明翰大學的A. Breidi (通訊作者兼第一作者)在Acta Mater.上發表了題為“First-principles modeling of superlattice intrinsic stacking fault energies in Ni₃Al based alloys”的文章。他們通過添加一種特定的三元元素x到Ni₃Al基體，再用量子力學方法，探測堆垛層錯能的變化與復雜的多組分鎳基高溫合金的力學性能的關系。鎳基高溫合金的復雜性需要考慮的因素有：多種合金元素（多達10-15），微觀結構的復雜性（兩相混合物），以及化學因素。其中由于建立固溶體模型的困難以及很高的計算成本，化學因素最為關鍵，在考慮堆垛層錯能量的同時還要恰當地表示化學隨機性是很具有挑戰性的一項任務。
研究著力于通過采用多種過渡金屬（TM）元素，探究化學因素是如何影響Ni₃Al基合金的SISF能量，并建立以SISF能量的變化作為合金組成x的函數。主要探究以下問題：Ni₃Al基的偽二元合金中的SISF能量的變化性質是否與Ni基二元合金相似？在相似的組成下，SISF能量的大小與反相界（APB）的大小的關系如何？不同的合金元素對SISF能量是否有不同的影響？在偽二元體系中，SISF能量的變化是否可以微調多組分合金的SISF能量，從而優化抗蠕變性？

【圖文導讀】

圖1 Ni_75-xX_xAl₂₅合金的晶格參數隨三元素組成x（at.％）的變化與實驗（RT和293 K）數據對比

（a）x為Co
（b）x為Cu
（c）x為Pd
（d）x為Pt

圖2 Ni₇₅Al_25-xX_x合金的平衡晶格參數隨三元素組成x（at.％）的變化與實驗數據（RT和293K ）對比

（a）x為Ti（文章通讀沒找到對圖二的解釋，即圖c不清楚是什么元素）
（b）x為V
（d）x為Zr
（e）x為Nb
（f）x為Mo
（g）x為Hf
（h）x為Ta
（i）x為W

圖3 Ni_75-xAl_25-xX_2x合金的平衡晶格參數隨三元素組成x（at.％）的變化

（a）x為Cr
（b）x為Mn

圖4 合金Ni₇₅Al_25-xX_x和Ni_75-xAl_xX₂₅的平衡晶格參數與在組成2.34375 at.%處的相同元素d-電子計數的變化的關系

可觀察到最低限度朝向TM系列的中心。最小值在4和5d帶系列非常明顯，Cr / Mn / Fe / Co / Ni元素的強磁性會導致整個3d系列的波動，拋物線最小值與位于中心的元素相對于外圍元素的最大內聚能有關。

圖5 L1_2?Ni-Al-Fe體系平衡晶格參數隨合金化組成x的變化

0 K數據對應于合金，取決于Fe的擇優位置

圖6 合金化三元素X與組成x一起引入到鎳亞晶格中后導致SISF能量的改變

（a）x為Co
（b）x為Cu
（c）x為Pd
（d）x為Pt

圖7 異于Al位置加入具有組成x的合金化三元素X導致SISF能量的變化

圖（a）中，向下的橙色三角形表示在RT實驗體積下SISF能量的計算值

圖8 三元相加入等量的原子并同時進入子晶格后SISF能量的變化

（a）x為Cr

（b）x為Mn

（c）x為Fe

圖9 SISF能量變化率與合金組成x的關系

圖10 溫度對SISF能量與L1₂ Ni_0.75-xX_xAl合金的關系

除了Hf以外，所有代替Al位的合金元素都是線性遞減的關系。合金成分的不同，取代Ni位置的元素會呈現負的或正的線性相關性。

【小結】

研究中，在重新計算后可以在Ni₃Al基合金中建立以成分變化x為自變量，晶格參數和SISF能量變化為因變量的函數。除了Fe和Co之外，所有的三元加成都能讓以組分x為自變量、晶格參數為因變量呈線性增加關系；除釩之外，晶格參數隨成分增大而單調降低。取代Al的鐵和所有三元素都會增加SISF能量，與引入合金元素會減少層錯能的γ-Ni情況形成對比。這可增加γ'的析出、提高了抗剪切能力，最終可提高Ni高溫合金的高溫強度。僅Co會降低SISF能量，促進γ'相層錯發生斷裂，從而促進初生蠕變。
研究過程中建立了SISF能量對三元素組成x的分析依賴性，x受限于溶解度極限；在改善基于物理的原始蠕變變形模型的狀態中，（111）SISF能量對偽二元系統的三元功能組成依賴性可能微調多組分合金中的SISF能量，優化抗蠕變性能；在熱效應的初步計算中發現SISF能量隨著溫度的降低而降低。合金堆垛層錯計算的取得了重大進展，未來的研究與改進必須考慮溫度和短程有序效應。

文獻鏈接：First-principles modeling of superlattice intrinsic stacking fault energies in Ni₃Al based alloys（Acta Mater., 2017,DOI: 10.1016/j.actamat.2017.11.042）

本文由材料人編輯部新人組歐儀編輯，陳炳旭審核，點我加入材料人編輯部。

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