Inconel 718合金的相及界面性質(zhì)的第一性原理研究.pdf

1、Inconel718合金由于在高溫下具有高強(qiáng)度、高韌性、良好的抗疲勞、抗氧化腐蝕性等優(yōu)點(diǎn),而廣泛應(yīng)用于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等熱端關(guān)鍵部件。隨著航空航天、兵器等國(guó)防工業(yè)領(lǐng)域的飛速發(fā)展,對(duì)鎳基合金的綜合性能提出了更高的要求。Inconel718合金的主強(qiáng)化相γ″-Ni3Nb和輔助強(qiáng)化相γ′-Ni3X(X=Al、Ti、Si…)直接影響到合金的綜合機(jī)械性能。同時(shí)基體相與強(qiáng)化相形成的界面對(duì)合金的性能也有一定的影響。因此,從原子角度研究Inco

2、nel718合金的相及界面性質(zhì)對(duì)理解合金作用機(jī)理具有重要意義,并為設(shè)計(jì)新一代鎳基高溫合金提供理論指導(dǎo)。
　　本文采用CASTEP軟件包計(jì)算了γ-Ni、γ′-Ni3X(X=Al、Ti、Si)和γ″-Ni3Nb結(jié)構(gòu)、力學(xué)和電子結(jié)構(gòu)等性質(zhì);研究了壓力對(duì)各相力學(xué)和熱學(xué)性質(zhì)的影響;最后研究了不同堆積方式的Ni/Ni3X(X=Al、Ti、Si、Nb)(001)界面的粘附功Wad、斷裂韌性G、界面能γi和電子結(jié)構(gòu),進(jìn)而闡明了液相Ni在Ni3X顆

3、粒上的形核潛能,主要結(jié)論如下:
　　Ni3Nb是Inconel718合金中最容易生成的且最穩(wěn)定的強(qiáng)化相。Ni、Ni3X(X=Al、Ti、Si、Nb)在0~50GPa下,彈性常數(shù)Cij、體模量B、剪切模量G、楊氏模量E都隨壓力的增大而增大。說明增大壓力能提高合金的抗體積變形、抗剪切變形及硬度,從而合金的綜合力學(xué)性能也隨之提高。
　　各相在0~50GPa下均是延展性和各向異性材料,且隨壓力增大延展性變好、各向異性系數(shù)增大。各相的

4、德拜溫度隨著壓力的增大而增大,且增長(zhǎng)率逐漸減小。它們的德拜溫度ΘD按Ni>Ni3Si>Ni3Ti>Ni3Al>Ni3Nb順序依次遞減。同時(shí),計(jì)算出不同壓力下的橫波聲速vs、縱波聲速vl和平均聲速vm彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)空白,為將來的實(shí)驗(yàn)提供理論預(yù)測(cè)。
　　分析Ni、Ni3X(=Al, Ti, Si, Nb)的態(tài)密度可知,各相在壓力達(dá)到50GPa時(shí)仍然是穩(wěn)定的且沒有發(fā)生相的轉(zhuǎn)變,隨壓力的增大原子間的相互作用勢(shì)逐漸增大。計(jì)算的布里淵區(qū)電荷數(shù)和鍵

5、長(zhǎng)可以看出,X原子與 Ni原子共用電子對(duì)隨壓力的增大而增大,鍵長(zhǎng)反而減小,說明各相的共價(jià)鍵隨著壓力的增大而增強(qiáng)。這就是壓力影響各相的結(jié)構(gòu)、力學(xué)和熱學(xué)等性質(zhì)的根本原因。
　　在Ni+X-hollow、Ni-hollow、Ni+X-top、Ni-top四種界面系統(tǒng)中,Ni+X-hollow界面系統(tǒng)具有最大的結(jié)合強(qiáng)度和最好的抗裂紋擴(kuò)展能力。因此,Ni與Ni3X耦合形成界面時(shí), Ni+X-hollow的堆積更可能是持續(xù)的自然的堆積方式,且

6、該系統(tǒng)的穩(wěn)定性和力學(xué)性能最好。橫向比較Ni/Ni3X界面系統(tǒng)的粘附功可知,Ni與Ni3Ti耦合形成的界面系統(tǒng)在Inconel718合金中穩(wěn)定性和力學(xué)性能最好。
　　Ni+X-hollow界面系統(tǒng)裂紋斷裂和擴(kuò)展更有可能發(fā)生在基體相或強(qiáng)化相內(nèi),而不是界面處。該界面系統(tǒng)在四種堆積方式中界面能是最低的,說明它是最穩(wěn)定的。對(duì)于Ni/Ni3Al、Ni/Ni3Ti和Ni/Ni3Si界面系統(tǒng),以top位置堆積的界面系統(tǒng)液相Ni直接在Ni3X顆粒上

7、形核是不可能的;以hollow位置堆積的界面系統(tǒng)在相對(duì)較低的過冷度下液相Ni都能直接在Ni3X顆粒上形核;并且Ni+X-hollow界面系統(tǒng)液相Ni在相對(duì)較低的過冷度下最容易在Ni3X顆粒上形核。對(duì)于Ni/Ni3Nb界面系統(tǒng),液相Ni不能直接在強(qiáng)化相Ni3Nb顆粒上形核。
　　在以Ni+X為終端的界面系統(tǒng)中,界面處Ni原子和X原子間電荷發(fā)生了重新排列,且在費(fèi)米能級(jí)處界面的Ni原子與X原子發(fā)生軌道雜化,它們因共用電子對(duì)而形成共價(jià)鍵;