铁基合金脉冲等离子体渗氮(碳)层中微结构演变多尺度模拟

以金属热扩渗掺杂改性层为研究对象，从电子-原子-相-宏观四个尺度层面，提出一种多尺度模拟方法，模拟热扩散改性层微结构形成及演化规律。针对Fe基合金脉冲等离子体渗氮N(碳C)，可能形成的微结构，进行电子结构计算，获得其特性和能量信息；建立金属Me(Fe等)原子与N(C)原子之间相互作用势函数，并进行分子动力学模拟，揭示N(C)向Fe基合金热扩散过程中在基体点阵中的占位和扩散行为、Me-N(C)微结构的形成及其演变规律；建立掺杂元素的扩散方程及微结构演变的相场模型，实现扩散元素分布和微结构演变的可视化模拟。通过热扩渗层中扩散元素分布测定、微结构演变观察等验证模拟结果。该工作一旦完成，可指导金属表面等离子体可控热扩散掺杂，实现表面层中微观组织结构的精确调控，获得高耐磨、耐蚀、抗疲劳和抗辐照损伤等改性层，为航空航天、核电、石油化工等诸领域装备中关键件的长寿命和高可靠性制造提供理论依据

针对“铁基合金脉冲等离子体渗氮（碳）层中微结构演变多尺度模拟”，开展了低温共渗生成相性质第一原理计算、原子扩散分子动力学模拟、微结构演变相场模拟及验证等研究，取得如下成果。. ①计算了a-(Fe, Me)微结构稳定性、原子间相互作用、态密度、微结构性质等。表明，C / N原子优先占据八面体间隙，迁移能为0.95 eV/0.79 eV；与C / N近邻的Fe及其置换原子的态密度发生杂化；C - C、C - N和N - N间相互排斥；一个空位可以吸引三个C、或两个N、或一个C和一个N；合金碳（氮）化物的形成源于间隙原子、置换原子和空位间相互吸引。. ②在γ-(Fe, Me)中，Mn和Ti引起晶胞膨胀，Cr,Mo和Ni则相反；Cr,Ni和Ti增强了奥氏体的稳定性，Mo和Mn则相反；Cr-Cr、Mo-Mo、Mn-Mn、Ni-Ni、Cr-Ni和Cr-Mo间相互吸引，Ti-Ti则相反。TiN和TiC的点阵常数/体模量分别为0.4237nm/311GPa和0.4319nm/251GPa；Fe6(CxN1-x)2中N的增加使其点阵常数增大，结构稳定性降低。. ③基于第一性原理计算，并采用嵌入原子方法，获得了铁氮多体势，计算了含氮a-Fe、γ-Fe4N和ε-Fe2N的性质，进而实现了含氮γ-Fe性质预测：N在八面体和四面体间隙中的溶解能为−5.25eV和−3.32eV，八面体中的N稳定性高；N、空位和自间隙原子间相互吸引，其结构稳定；N原子间相互排斥。N在a-Fe中扩散的分子动力学模拟指出，N在不同八面体间隙中振动、并迁移；N的扩散常数和扩散激活能为1.01E-7m2/s和0.67eV，与实验值吻合。. ④基于析出相体自由能、界面能和弹性应变能，建立了浓度梯度场下析出相演变相场模型，实现了渗氮、渗碳过程中层深、相析出及其演变的可视化模拟。分别对低碳钢（20/A3钢）在560℃等离子体稀土氮碳共渗16h和20Cr2Ni4A钢在860℃稀土渗碳12h进行了模拟，模拟结果与实测的氮碳共渗化合物层/扩散层厚度（5μm/0.6mm）和渗层中针状γ'相的分布、以及渗碳层中M3C相的析出及分布结果一致。渗碳过程中稀土渗入使析出的M3C相细化、并趋于球化，基体承受拉应力而发生屈服，通过位错重组、发生了取向动态再结晶；高密度的M3C限制了再结晶晶粒长大，使渗碳层的显微组织细化。