北京航空航天大學Acta Mater.：空位介導合金化強化對鎳基單晶超合金γ/γ’界面的影響：第一性原理研究

【引言】

由于鎳基單晶超合金優異的高溫強度和抗蠕變性，它被設計應用于航空發動機的渦輪葉片。除了 γ′-Ni₃Al (L1₂) 析出相， γ-Ni/γ′-Ni₃Al界面對蠕變強度也起著至關重要的作用。隨著發動機效率和使用溫度的提高，新一代鎳基單晶超合金已被開發出來，它具有較高的γ'析出體積分數（70％）和多種合金元素。僅幾十納米寬的γ矩陣通道使得γ/γ'界面在超級合金的蠕變變形過程中發揮著至關重要的作用。

【成果簡介】

近日，北京航空航天大學趙文月老師（通訊作者）使用第一原理密度泛函理論研究了γ/γ'界面上合金元素Re、Mo、Ta和Cr的空位效應。通過計算γ/γ'界面的格里菲斯斷裂功以及界面空位遷移的能量屏障，評估了空位介導的合金化強化機理。該成果以“Vacancy mediated alloying strengthening effects on γ/γ′ interface of Ni-based single crystal superalloys: A first-principles study”為題發表在期刊Acta Materialia上。

【圖文導讀】

圖1：VASP計算模型的幾何結構

（a）γ/γ'界面超晶胞模型，

（b）（002）γ-Ni和（001）γ'-Ni₃Al表面模型，

（c）（001）γ-Ni和（002）γ'-Ni₃Al表面模型。

圖2：γ/γ'界面上合金化原子的潛在取代位置

（a）γ/γ'界面上合金化原子M（M = Re、Mo、Ta、Cr）的潛在取代位置；

（b）γ/γ'界面上（含Ni空位）合金化原子M（M = Re、Mo、Ta、Cr）的潛在取代位置。

圖3：γ/γ'界面生成熱

不同位置取代的合金原子M（M = Re，Mo，Ta，Cr）在γ/γ'界面的生成熱。

虛線：理想界面的生成熱。

圖4：γ/γ'界面生成熱

不同位置取代的合金原子M（M = Re，Mo，Ta，Cr）在γ/γ'界面（含γ'-Ni空位）的生成熱。

虛線：純γ/γ'界面（含空位）的生成熱。

圖5：格里菲斯斷裂功

不同位置取代的合金原子M（M = Re，Mo，Ta，Cr）在γ/γ'界面（含γ'-Ni空位）的格里菲斯斷裂功。

上方虛線：純γ/γ'界面（不含空位）的格里菲斯斷裂功。

下方虛線：純γ/γ'界面（含空位）的格里菲斯斷裂功。

圖6：格里菲斯斷裂功

不同位置取代的合金原子M（M = Re，Mo，Ta，Cr）在γ/γ'界面（不含空位）的格里菲斯斷裂功。

虛線：γ/γ'理想界面（不含空位的純界面）的格里菲斯斷裂功。

圖7：晶格面上的電子局域函數（ELF）等值線圖

（a）在γ'-Al位置上用合金原子M（M = Re，Mo，Ta，Cr）取代之前和之后的γ/γ'界面（不含空位）；

（b）在γ'-Al位置上用合金原子M（M = Re，Mo，Ta，Cr）取代之前和之后的γ/γ'界面（含γ'-Ni空位）。

圖8：晶格面上的電子局域函數（ELF）等值線圖

（a）在γ'-Ni位置上用合金原子M（M = Re，Mo，Ta，Cr）取代的γ/γ'界面（不含空位）；

（a）在γ-cpNi位置上用合金原子M（M = Re，Mo，Ta，Cr）取代的γ/γ'界面（不含空位）。

圖9：在純鎳（由Ni表示）和合金化（由Re / Mo / Ta表示）γ/γ'界面上，Ni空位遷移的最小能量路徑

（a）從γ-cpNi到γ-fcNi位點;

（b）從γ-cpNi到γ/γ'-Ni位點;

（c）從γ-fcNi到γ/γ'-Ni位點;

（d）從γ/γ'-Ni到γ'-Ni位點。

【小結】

通過第一性原理計算，系統研究了空位位點選擇和γ/γ'界面上合金元素（Re，Mo，Ta，Cr）的強化效應對鎳基單晶超級合金的影響。研究結果揭示了界面強化機理，為鎳基單晶超合金材料的設計奠定了理論基礎。

文獻鏈接：Zhao W, Sun Z, Gong S. Vacancy mediated alloying strengthening effects on γ/γ′ interface of Ni-based single crystal superalloys: A first-principles study[J]. Acta Materialia, 2017.

本文由材料人編輯部周夢青編譯，點我加入材料人編輯部。

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