第三组元在镍基单晶高温合金强化机理的原子模拟研究

镍基单晶高温合金具有优良的高温力学性能，是制造先进航空发动机和燃气轮机叶片的重要材料。其强化方式主要有难熔元素的固溶强化和析出相强化。鉴于高温合金成分和微结构的复杂性，尽管三维原子探针技术能给出三维原子分布情况，但无法给出其动态演化规律；第一性原理计算没有温度效应，也无法处理复杂合金体系和研究加载过程中微观结构的动态演化及其对力学性能的影响。因此通过实验研究或第一性原理计算难以分析添加元素对镍基单晶高温合金高温力学性能强化的微观机理。本项目将以在镍基单晶高温合金中添加Re、Ru和Co元素为研究对象，通过构造并优化金属和合金中原子间相互作用的势函数，研究gama'相在镍基体中的分布特点，探讨添加元素的分布规律，研究元素掺杂量和温度效应等对其微观结构的演变规律、添加元素的迁移机制及其对宏观力学性能的影响关系，得到添加元素在镍基单晶高温合金中的微观强化机制，为新型镍基单晶高温合金的设计提供指导。

本项目利用改进分析型嵌入原子模型(MAEAM)，针对镍基高温合金中第三组元元素分布与扩散特性和γ(Ni基体相)与γ'（Ni3Al析出相）相力学相关性能等问题进行了一系列多尺度模拟研究。利用分子动力学方法研究了Ni/Ni3Al块体材料的表观界面能，发现含有(50-70)% γ'-相体积分数的Ni/Ni3Al合金的界面结合强度最好。对于小尺寸纳米丝，其界面能大于零，表明界面结构不稳定，结合能力弱。而对于较大尺寸纳米丝，其界面能值为负，说明界面结合能力较强。探讨了Ni/Ni3Al纳米丝的延-脆性转变机制主要因素，确定了Ni/Ni3Al纳米丝的延-脆性转变的临界尺寸。研究了溶质原子(Re、Ru、Co和Ta等)在Ni3Al合金中的位置取代情况。通过计算溶质原子对局域晶格畸变的影响，发现溶质原子的尺寸及其与基体原子之间的相互作用是影响Ni3Al合金力学性能的主要因素，溶质元素的掺杂方式和数量是强化合金纳米材料的重要因素。层错滑移和孪晶形变是纳米丝形变产生的原因，杂质团簇尺寸大小对于纳米丝体模量有较大影响，而杂质团簇的加入对于变形机制的改变具有较大的影响。通过对在不同剪切应力条件下不同浓度Co、Ru和Re杂质原子对于Ni晶体中刃位错运动影响的研究发现杂质原子与最近邻Ni原子的成键使得滑移面上堆垛层错能增加，阻碍刃位错的运动从而强化晶体结构， Re原子强化效果最为显著。运用第一性原理计算方法研究了Ni及Ni3Al中元素的自扩散特性和杂质原子在Ni晶体中的扩散特性。在Ni3Al中Al的扩散较Ni慢。在非化学计量比条件下，Ni的扩散系数随着Ni成分的增加而降低，且在低温条件下趋势越发明显。Al的扩散系数随着Ni成分的增加也呈现降低的趋势，而且趋势较Ni更为明显。通过五重跳跃模型计算了Ni中Co、Ru和Re杂质原子的扩散系数。计算发现杂质Re扩散速率最低。这主要与Re原子与空位的排斥作用，高的扩散势垒，以及非温度依赖的相关因子等因素有关。结合蒙特卡洛方法，对于实验中观察到的Ni/Ni3Al过渡界面进行了研究。发现在Ni/Ni3Al界面区域，元素分布呈现有序-无序的特征，其占据若干nm宽。考虑添加Re原子后，其杂质原子的择优占位情况。研究表明界面宽度对于Re原子的添加量也较为敏感，导致这种结果是由于Re原子与周围的最近邻Ni基体原子的相互作用。