《第三組元在鎳基單晶高溫合金強化機理的原子模擬研究》是依託湖南大學，由胡望宇擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：第三組元在鎳基單晶高溫合金強化機理的原子模擬研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：胡望宇
- 依託單位：湖南大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
鎳基單晶高溫合金具有優良的高溫力學性能，是製造先進航空發動機和燃氣輪機葉片的重要材料。其強化方式主要有難熔元素的固溶強化和析出相強化。鑒於高溫合金成分和微結構的複雜性，儘管三維原子探針技術能給出三維原子分布情況，但無法給出其動態演化規律；第一性原理計算沒有溫度效應，也無法處理複雜合金體系和研究載入過程中微觀結構的動態演化及其對力學性能的影響。因此通過實驗研究或第一性原理計算難以分析添加元素對鎳基單晶高溫合金高溫力學性能強化的微觀機理。本項目將以在鎳基單晶高溫合金中添加Re、Ru和Co元素為研究對象，通過構造並最佳化金屬和合金中原子間相互作用的勢函式，研究gama'相在鎳基體中的分布特點，探討添加元素的分布規律，研究元素摻雜量和溫度效應等對其微觀結構的演變規律、添加元素的遷移機制及其對巨觀力學性能的影響關係，得到添加元素在鎳基單晶高溫合金中的微觀強化機制，為新型鎳基單晶高溫合金的設計提供指導。
結題摘要
本項目利用改進分析型嵌入原子模型(MAEAM)，針對鎳基高溫合金中第三組元元素分布與擴散特性和γ(Ni基體相)與γ'（Ni3Al析出相）相力學相關性能等問題進行了一系列多尺度模擬研究。利用分子動力學方法研究了Ni/Ni3Al塊體材料的表觀界面能，發現含有(50-70)% γ'-相體積分數的Ni/Ni3Al合金的界面結合強度最好。對於小尺寸納米絲，其界面能大於零，表明界面結構不穩定，結合能力弱。而對於較大尺寸納米絲，其界面能值為負，說明界面結合能力較強。探討了Ni/Ni3Al納米絲的延-脆性轉變機制主要因素，確定了Ni/Ni3Al納米絲的延-脆性轉變的臨界尺寸。研究了溶質原子(Re、Ru、Co和Ta等)在Ni3Al合金中的位置取代情況。通過計算溶質原子對局域晶格畸變的影響，發現溶質原子的尺寸及其與基體原子之間的相互作用是影響Ni3Al合金力學性能的主要因素，溶質元素的摻雜方式和數量是強化合金納米材料的重要因素。層錯滑移和孿晶形變是納米絲形變產生的原因，雜質團簇尺寸大小對於納米絲體模量有較大影響，而雜質團簇的加入對於變形機制的改變具有較大的影響。通過對在不同剪下應力條件下不同濃度Co、Ru和Re雜質原子對於Ni晶體中刃位錯運動影響的研究發現雜質原子與最近鄰Ni原子的成鍵使得滑移面上堆垛層錯能增加，阻礙刃位錯的運動從而強化晶體結構， Re原子強化效果最為顯著。運用第一性原理計算方法研究了Ni及Ni3Al中元素的自擴散特性和雜質原子在Ni晶體中的擴散特性。在Ni3Al中Al的擴散較Ni慢。在非化學計量比條件下，Ni的擴散係數隨著Ni成分的增加而降低，且在低溫條件下趨勢越發明顯。Al的擴散係數隨著Ni成分的增加也呈現降低的趨勢，而且趨勢較Ni更為明顯。通過五重跳躍模型計算了Ni中Co、Ru和Re雜質原子的擴散係數。計算發現雜質Re擴散速率最低。這主要與Re原子與空位的排斥作用，高的擴散勢壘，以及非溫度依賴的相關因子等因素有關。結合蒙特卡洛方法，對於實驗中觀察到的Ni/Ni3Al過渡界面進行了研究。發現在Ni/Ni3Al界面區域，元素分布呈現有序-無序的特徵，其占據若干nm寬。考慮添加Re原子後，其雜質原子的擇優占位情況。研究表明界面寬度對於Re原子的添加量也較為敏感，導致這種結果是由於Re原子與周圍的最近鄰Ni基體原子的相互作用。
