Ni-Ni3Al納米絲中界面與合金化效應(yīng)的模擬研究.pdf

1、鎳基單晶高溫合金為典型的Ni/Ni3Al兩相結(jié)構(gòu)，具有良好的抗蠕變、抗斷裂、抗氧化和耐腐蝕等性能，是制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)和工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)葉片的關(guān)鍵材料。本文結(jié)合改進(jìn)分析型嵌入原子方法(MAEAM)，利用分子動(dòng)力學(xué)方法(MD)探討Ni/Ni3Al納米絲中合金化、界面和尺寸等對(duì)納米絲形變機(jī)制的影響，為高溫合金材料的設(shè)計(jì)及其應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。
　　本文首先研究Ni、Al和V納米絲的尺寸效應(yīng)，結(jié)果表明由于自由表面的變化導(dǎo)致納米絲的力學(xué)和熱學(xué)性能隨

2、著納米絲尺寸減小而線性減小。納米絲熔化機(jī)制隨著尺寸減小而發(fā)生變化，相應(yīng)的臨界尺寸分別為0.476nm、0.526nm和0.625nm。對(duì)于小于臨界尺寸的納米絲，其熔化主要由原子振動(dòng)非諧效應(yīng)所致，相反，表面預(yù)熔及其熔化在納米絲熔化過(guò)程中占主導(dǎo)地位。
　　對(duì)比分析Ni/Ni3Al（γ/γ'）納米絲和塊體材料的表觀界面能，發(fā)現(xiàn)塊體材料的表觀界面能為負(fù)，而納米絲的表觀界面能為正，其數(shù)值隨著界面過(guò)渡區(qū)(ITR)厚度減小而線性減小。通過(guò)研究I

3、TR厚度對(duì)原子平均能量的影響關(guān)系，得出塊體材料ITR的臨界厚度約等于1.7nm。探討了γ'-相體積分?jǐn)?shù)對(duì)臨界厚度界面區(qū)域表觀界面能的影響，發(fā)現(xiàn)含有(50-70)％γ'-相體積分?jǐn)?shù)的Ni/Ni3Al界面結(jié)合最好。對(duì)于Ni/Ni3Al納米絲，通過(guò)研究尺寸對(duì)納米絲在一定厚度界面區(qū)域能量與其平均能量極限值之差的影響，確定納米絲的ITR臨界厚度約為6.20nm。分析了Ni/Ni3Al納米絲的延-脆性斷裂轉(zhuǎn)變機(jī)制，發(fā)現(xiàn)Ni/Ni3Al納米絲的延-脆

4、性斷裂轉(zhuǎn)變臨界尺寸處于(2.3～3.5)nm之間。
　　研究了合金化元素(Re、Ru、Co、Ta)在Ni3Al合金中的位置取代情況，結(jié)果表明Co趨向于置換其中的Ni位，其置換形成能為正，相反，Re、Ru和Ta傾向于取代Al位，且其置換形成能都負(fù)。分析了這些合金化元素及其摻雜方式對(duì)Ni3Al合金的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)Re、Ru和Ta等元素置換第一、第三、第一和三近鄰Ni原子以及第四近鄰以內(nèi)的所有基體原子時(shí)，合金化原子顯著增

5、強(qiáng)了Ni3Al合金力學(xué)性能，而當(dāng)這三種元素置換第二、第四、第二和四近鄰的Al原子時(shí)，對(duì)Ni3Al合金力學(xué)性能的強(qiáng)化效應(yīng)不明顯。而對(duì)于Co元素，無(wú)論用哪種置換方式，對(duì)Ni3Al合金力學(xué)性能強(qiáng)化效應(yīng)不明顯。詳細(xì)分析各溶質(zhì)元素對(duì)合金力學(xué)性能的強(qiáng)化機(jī)制，發(fā)現(xiàn)溶質(zhì)原子的尺寸及其與基體原子間相互作用是力學(xué)性能增強(qiáng)的主要因素。研究了溶質(zhì)(Re、Ru、Co、V和Ta)團(tuán)簇對(duì)Ni/Ni3Al納米絲的力學(xué)性能影響，發(fā)現(xiàn)納米絲體模量隨溶質(zhì)團(tuán)簇尺寸變化關(guān)系與其

6、在塊體材料中變化趨勢(shì)不相同。其中，Re團(tuán)簇增強(qiáng)納米絲的力學(xué)性能，而且這種增強(qiáng)效應(yīng)隨著尺寸增大而變得更加明顯，Ru和Co團(tuán)簇對(duì)Ni/Ni3Al納米絲的力學(xué)性能基本沒(méi)有影響，V和Ta團(tuán)簇的加入有降低合金納米絲力學(xué)性能的趨勢(shì)，且這種趨隨著團(tuán)簇尺寸增大變得更為明顯。
　　Ni/Ni3Al納米絲在外加載荷條件下的尺寸效應(yīng)研究表明，合金納米絲的屈服強(qiáng)度和彈性模量隨尺寸增大而變大，而合金納米絲的屈服應(yīng)變隨著尺寸的增大而減小，三者隨著尺寸不斷變化

7、而逐漸接近于一極限值，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)層錯(cuò)滑移是納米絲形變產(chǎn)生的主要原因。通過(guò)對(duì)Ni/Ni3Al納米絲拉伸應(yīng)變溫度效應(yīng)的研究，發(fā)現(xiàn)其形變主要?dú)w結(jié)于層錯(cuò)滑移和原子振動(dòng)非諧效應(yīng)，隨著溫度升高，納米絲形變主要因素由以層錯(cuò)滑移為主逐步轉(zhuǎn)向原子振動(dòng)的非諧效應(yīng)為主。研究合金化(Re、Ru、Co、Ta和V)團(tuán)簇對(duì)Ni/Ni3Al納米絲的力學(xué)性能及其機(jī)制的影響。除Co團(tuán)簇外，其他合金化團(tuán)簇的加入明顯改變了納米絲的力學(xué)性質(zhì)。
　　討論合金化(Re、R

8、u和Ta)團(tuán)簇對(duì)50％γ'-相Ni/Ni3Al納米絲的形變行為及其微觀機(jī)制的影響，研究表明，低溫下，含Re和Ru團(tuán)簇納米絲的形變主要由位錯(cuò)滑移所致，且合金化團(tuán)簇強(qiáng)烈地阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，使滑移現(xiàn)象局限在其周?chē)?，并在此出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象。而在高溫條件下，由于原子振動(dòng)非諧效應(yīng)，Re團(tuán)簇?zé)o法有效地阻止位錯(cuò)滑移，而Ru團(tuán)簇仍然保持完好結(jié)構(gòu)，有效地阻止體內(nèi)位錯(cuò)滑移，與其在低溫形變機(jī)制類(lèi)似。而含Ta團(tuán)簇的納米絲形變卻不同，形變范圍僅限于Ta團(tuán)簇周?chē)湫巫儥C(jī)制