北京航空航天大学Acta Mater.：空位介导合金化强化对镍基单晶超合金γ/γ’界面的影响：第一性原理研究

【引言】

由于镍基单晶超合金优异的高温强度和抗蠕变性，它被设计应用于航空发动机的涡轮叶片。除了 γ′-Ni₃Al (L1₂) 析出相， γ-Ni/γ′-Ni₃Al界面对蠕变强度也起着至关重要的作用。随着发动机效率和使用温度的提高，新一代镍基单晶超合金已被开发出来，它具有较高的γ'析出体积分数（70％）和多种合金元素。仅几十纳米宽的γ矩阵通道使得γ/γ'界面在超级合金的蠕变变形过程中发挥着至关重要的作用。

【成果简介】

近日，北京航空航天大学赵文月老师（通讯作者）使用第一原理密度泛函理论研究了γ/γ'界面上合金元素Re、Mo、Ta和Cr的空位效应。通过计算γ/γ'界面的格里菲斯断裂功以及界面空位迁移的能量屏障，评估了空位介导的合金化强化机理。该成果以“Vacancy mediated alloying strengthening effects on γ/γ′ interface of Ni-based single crystal superalloys: A first-principles study”为题发表在期刊Acta Materialia上。

【图文导读】

图1：VASP计算模型的几何结构

（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。

图2：γ/γ'界面上合金化原子的潜在取代位置

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

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

图3：γ/γ'界面生成热

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

虚线：理想界面的生成热。

图4：γ/γ'界面生成热

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）的生成热。

虚线：纯γ/γ'界面（含空位）的生成热。

图5：格里菲斯断裂功

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）的格里菲斯断裂功。

上方虚线：纯γ/γ'界面（不含空位）的格里菲斯断裂功。

下方虚线：纯γ/γ'界面（含空位）的格里菲斯断裂功。

图6：格里菲斯断裂功

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）的格里菲斯断裂功。

虚线：γ/γ'理想界面（不含空位的纯界面）的格里菲斯断裂功。

图7：晶格面上的电子局域函数（ELF）等值线图

（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）。

图8：晶格面上的电子局域函数（ELF）等值线图

（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）。

图9：在纯镍（由Ni表示）和合金化（由Re / Mo / Ta表示）γ/γ'界面上，Ni空位迁移的最小能量路径

（a）从γ-cpNi到γ-fcNi位点;

（b）从γ-cpNi到γ/γ'-Ni位点;

（c）从γ-fcNi到γ/γ'-Ni位点;

（d）从γ/γ'-Ni到γ'-Ni位点。

【小结】

通过第一性原理计算，系统研究了空位位点选择和γ/γ'界面上合金元素（Re，Mo，Ta，Cr）的强化效应对镍基单晶超级合金的影响。研究结果揭示了界面强化机理，为镍基单晶超合金材料的设计奠定了理论基础。

文献链接：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.

本文由材料人编辑部周梦青编译，点我加入材料人编辑部。

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