合金化元素对NiAl金属间化合物结构和力学性能影响规律的研究

NiAl intermetallics exhibit many good properties including high strength, high melting temperature, and good corrosion resistance, thus can be applied in aerospace industry as a high temperature structural material. However, poor ductility at low temperatures and low strength at elevated temperature limits its technological assignments and applications. Particularly, alloying is thought to be one of effective way to improve the ductility of it.despite, the room temperature brittleness is still a key problem for the application of NiAl. The results contribute to the further understanding the real reason of poor ductility. We investigate the effect of alloying elements on the structure and mechanical properties of NiAl by calculating stacking fault energy and cleavage energy. Our research provides a good reference for improving the NiAl ductility as a high tempeartuer material.

金属间化合物由于使用温度高且具有一定温度范围内强度随温度升高而升高的反常特性，成为研究和技术开发的热点。而NiAl金属间化合物具有熔点高，密度小，抗氧化性能好而备受关注。但严重的室温脆性和低的高温强度抑制了它的实际应用和发展。现有的一些理论计算和实验方面的研究表明合金化是改善NiAl室温韧性的有效方法之一，但是NiAl金属间化合物的室温脆性问题依然没有得到完全解决。而对合金化元素对NiAl力学性能影响规律及其微观本质的系统研究，是为NiAl金属间化合物使用合金化等方法后室温塑性和高温强度依然较差寻找到根本原因的重要途径。本项目应用第一原理方法，从"结构"和"能量"的角度分析合金化元素存在时NiAl的微观断裂。寻找合金化元素对于NiAl金属间化合物韧脆性的影响规律，进而推导其对NiAl金属间化合物宏观力学性能的影响，为NiAl金属间化合物室温脆性的解决提供必要的参考依据，为实验起到指导作用。

NiAl金属间化合物具有熔点高、密度小和抗氧化性能好而备受关注，但严重的室温脆性制约了它的实际应用。现有研究表明合金化是改善NiAl室温韧性的有效方法之一。. 本项目应用第一原理方法，从结构和弹性模量的角度研究了杂质元素C原子对NiAl韧塑性影响。研究表明C易于占据富Ni的八面体间隙，一定浓度的C的加入会使得NiAl的韧性增加。在此基础上，研究了杂质C与NiAl中的空位相互作用进行了研究。得出杂质C易于被NiAl中的空位捕获，形成CnV复合物。在Ni空位存在时单个空位最多能够容纳4个C原子，且C原子优先成键。Al空位最多捕获5个C原子，其中捕获2个时体系最稳定。对CnV复合物原子结构和电子密度的研究表明，随着多个C原子的加入，可以清晰的看到C-C之间优先于自身成键。对空位的浓度以及温度效应的研究，可以得出结论，随着温度的升高，空位浓度有了明显的增加，同时由于C原子的加入，在典型的辐照温度条件600k下，总的空位浓度相比于本征空位浓度均高出了十亿倍之多，C原子的加入直接有效的促进了NiAl中空位的形成，并且空位常常以CnV复合物的方式存在。. 本项目另一部分内容为从“结构”和“能量”的角度分析合金化元素存在时NiAl的微观断裂。研究得出合金化元素Mo和W既可以替代Ni也可以替代Al。通过弹性模量的研究，合金化元素Mo在这两种替代位置的情况下均会使得NiAl金属间化合物的共价键成份减少，硬度减小，韧性增加。通过对体系断裂能和不稳定堆垛层错能的研究表明合金化元素W的加入可以改善NiAl金属间化合物的韧性，这种改善作用主要是通过降低[001](110)滑移系的不稳定堆垛层错能，增加(110)断裂面的断裂能来实现的。稀土元素Y的加入使NiAl金属间化合物两个滑移系得的不稳定堆垛层错能减小，使层错面的滑移更容易开动。同时使得两个滑移系的断裂能降低，即更容易断裂。对两个能量的比值的研究表明，一定浓度的Y会造成NiAl的韧性降低。另一种稀土元素Ce对NiAl的影响却大不相同。Ce在整个化学势允许的范围内均占据Al位置，且Ce的加入使得硬度降低， NiAl的延性和韧性均得到改善，且随着浓度的增大，改善效果越明显，但同时牺牲硬度的程度也随之增大。. 此项目研究为NiAl金属间化合物室温脆性问题的解决提供必要的理论参考依据，对实验起到一定的指导作用。