镍基合金中成分及缺陷对氢行为影响的第一性原理研究

Hydrogen embrittlement (HE) can degrade the performance of nickel-based alloys seriously. Understanding of the effects of alloy compositions and defects on hydrogen behavior in nickel-based alloys is very helpful for the improvement of the resistance to HE. It is difficult for experimental measures to display H atoms directly, but first-principles calculations can readily explore hydrogen behavior in alloys and the underlying physical mechanisms on the atomic and electronic levels. The possibilities of the HE mechanisms depend on many conditions which can not be all contained in this project. This project mainly employs first-principles calculations and focuses on some key issues of the HE in nickel-based alloys, including: the attraction/repulsion between hydrogen and Group VIB or 3d transition metal elements, the effects of Cr, Fe, C and B on hydrogen behavior in the vacancy of Ni bulk, the synergistic effect of P and H on the Ni grain boundary, and the effect of the stoichiometry of Ni-Cr alloy on hydrogen behavior. This project can improve the understanding of HE in nickel-based alloys and is very helpful for the improvement of nickel-based alloys.

氢脆能严重影响镍基合金的性能，从原子尺度上理解镍基合金中的成分、缺陷对氢的作用，对于深入理解氢脆现象、改进合金抗氢脆能力都具有至关重要的指导意义。合金中的氢原子难以用普通实验手段直接显示，而第一性原理模拟却能非常方便地直接研究氢在合金中的行为，并能从原子、电子层次上揭示深层次的物理机理。任一种氢脆机理都不能圆满解释所有氢脆现象，不同的氢脆机理在不同的条件下可能分别起主导作用，仅本项目无法包括氢脆的所有方面。本项目以第一性原理模拟为主要研究手段，部分结合实验研究，系统深入地研究镍基合金氢脆的一些重要问题：同一族及同一周期元素在镍基体中对氢原子的束缚/排斥的规律；铬、铁、碳和硼为代表的合金元素在镍基体空位附近对氢行为的影响；磷为代表的杂质元素在镍晶界中与氢的协同作用对镍晶界的影响；二元镍铬合金的化学配比对氢扩散渗透的影响。通过本项目的研究，以期进一步提高对此问题的认识并为改良合金打下基础。

氢脆能严重影响镍基合金的性能，从原子尺度上理解镍基合金中的成分、缺陷对氢的作用，对于深入理解氢脆现象、改进合金抗氢脆能力都具有至关重要的指导意义。合金中的氢原子难以用普通实验手段直接显示，而第一性原理模拟却能非常方便地直接研究氢在合金中的行为，并能从原子、电子层次上揭示深层次的物理机理。本项目以第一性原理模拟为主要研究手段，深入地研究镍基合金氢脆的一些重要问题：同一族及同一周期元素在镍基体中对氢原子的束缚/排斥的规律；Cr、Mo为代表的金属元素和以B、P为代表的非金属元素在镍合金不同类型的晶界附近对氢行为的影响。通过理论计算得到了镍基合金中第3、4、5周期中的sp元素（Al、Si、P、S、Ga、Ge、As、Se、In、Sn、Sb、Te）以及4d过渡金属元素在镍基体中对氢原子相互作用能，分析了其束缚/排斥作用的物理机理，建立了相应的数据库；发现在镍基合金的不同类型的晶界处（Σ3和Σ5晶界），Cr、Mo、B、P等为代表的合金元素能阻碍H原子的偏析和扩散，但是它们的作用机理是不同的。受本项目资助，发表了11篇文章（包括直接相关和间接相关），其中SCI文章10篇。通过本项目的研究，在原子尺度上系统地研究了诸多合金元素在镍基合金基体和晶界处对H行为的影响，揭示了相应的物理机理，以期进一步提高镍基合金氢脆问题的认识，并为改良该合金提供一定的理论支持。