基于生態(tài)設(shè)計(jì)理念的鎳基單晶高合金中跡量摻雜元素的危害作用分析.pdf

1、鎳基單晶高溫合金是先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件的關(guān)鍵材料，為了控制合金制備成本、減少稀貴金屬的用量、提升合金回收利用率、實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的生態(tài)設(shè)計(jì)，必須對(duì)合金制備與成型過程中引入的跡量雜質(zhì)元素的作用效果與危害行為進(jìn)行分析，為此，本文采用第一原理計(jì)算方法，針對(duì)鎳基單晶高溫合金中的幾種常見摻雜(N、S、P)，基于生態(tài)設(shè)計(jì)的原則，對(duì)其危害作用及其作用機(jī)理進(jìn)行了研究。
　　 鑒于鎳基單晶高溫合金的高溫蠕變性能很大程度上取決于γ相與γ'相之間的相互作用

2、，特別是γ-Ni/γ'-Ni3Al相界的結(jié)構(gòu)性質(zhì)，本文首先采用贗勢(shì)平面波方法與CASTEP總能計(jì)算程序，分析了非金屬跡量雜質(zhì)元素S、P與N在γ-Ni/γ'-Ni3Al相界中的存在許可及其擇優(yōu)占位趨勢(shì)，進(jìn)而考察了其對(duì)γ-Ni/γ'-Ni3Al相界斷裂強(qiáng)度與韌性的有害作用。結(jié)果表明:從能量角度上看，S、P無(wú)論是置換γ-Ni/γ'-Ni3Al相界中的某個(gè)基體Ni或Al原子還是占據(jù)其中的八面體間隙位都是許可的;以氣態(tài)形式存在的N不易摻雜到γ-N

3、i/γ'-Ni3Al相界區(qū)域中，而以固態(tài)形式存在的N則較易摻雜至相界中。與占據(jù)γ/γ'相界中的某個(gè)八面體間隙位相比，S、P均具有較大的趨勢(shì)優(yōu)先置換相界中的基體原子，而N則將優(yōu)先偏聚到γ/γ'相界中的八面體間隙位。與摻雜前清潔界面相比，S摻雜使得相界的穩(wěn)定性下降;P的置換摻雜能在相界中穩(wěn)定存在，在相界區(qū)域八面體間隙中心的摻雜則并不穩(wěn)定，而N在相界中的置換型摻雜與間隙位摻雜則都能穩(wěn)定存在。可見，S與P在相界中的占位具有一定的相似性。S、P、

4、N對(duì)γ-Ni/γ'-Ni3Al相界的摻雜，使得相界區(qū)域原子位置發(fā)生了一定的變化，引起晶格畸變，使相界區(qū)域厚度增加，增加了相界區(qū)域原子層間距，從而削弱了層間電子作用強(qiáng)度，同時(shí)也導(dǎo)致了相界區(qū)域局部彈性應(yīng)變能的增加。置換相界區(qū)域中基體Ni或Al原子的雜質(zhì)N，雖然沒有引起明顯的晶格畸變，但其不能在晶胞格點(diǎn)處穩(wěn)定存在，會(huì)向鄰近的γ-Ni相或γ'-Ni3Al內(nèi)部的八面體間隙發(fā)生非常明顯的遷移，從而在初始格點(diǎn)處形成Frenkel點(diǎn)缺陷，造成大量成鍵電

5、子的缺失，削弱相界層間結(jié)合強(qiáng)度。
　　 N、S、P對(duì)γ-Ni/γ'-Ni3Al相界的摻雜在不同程度上削弱了相界的斷裂強(qiáng)度，并有可能改變相界的斷裂位置。其中，置換型摻雜γ-Ni/γ'-Ni3Al相界的斷裂強(qiáng)度相對(duì)于間隙位摻雜時(shí)較好。摻雜原子對(duì)γ-Ni/γ'-Ni3Al相界中具有顯著不利影響的晶格點(diǎn)陣位置與八面體間隙位置具有較強(qiáng)的占位趨勢(shì)與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，從而表現(xiàn)出顯著的有害作用。本文迸一步計(jì)算、分析了摻雜γ-Ni/γ'-Ni3Al相界

6、的電子能態(tài)結(jié)構(gòu)，以考察非金屬雜質(zhì)元素在相界的行為作用機(jī)理，摻雜在相界中的S、P以失去電子為主，N得到電子的趨勢(shì)非常強(qiáng)。雜質(zhì)原子與其周圍近鄰原子形成了較強(qiáng)的電子相互作用，使得部分價(jià)電子由高能級(jí)向低能級(jí)附近聚集，在一定程度上削弱了相界區(qū)域中的金屬鍵與共價(jià)鍵作用，層間成鍵電子減少，導(dǎo)致了相界結(jié)合強(qiáng)度的降低。置換相界區(qū)域中基體原子的雜質(zhì)N，會(huì)向γ相或γ'相內(nèi)部間隙擴(kuò)散，在初始位置處形成Frenkel空位缺陷，導(dǎo)致相界價(jià)電子的缺失，降低結(jié)合強(qiáng)度。

7、可見，N、S、P等雜質(zhì)元素?fù)诫s引起相界發(fā)生晶格畸變以及相界區(qū)域局部電子作用發(fā)生改變，這最終導(dǎo)致了其對(duì)相界的脆化作用效果。
　　 進(jìn)一步本文考察了非金屬雜質(zhì)元素P對(duì)Re合金化γ-Ni/γ'-Ni3Al相界的影響效果。在Re合金化相界超胞模型的基礎(chǔ)上，將P摻雜到相界中的晶格點(diǎn)陣位置或八面體間隙位，從而建立了一系列P、Re復(fù)合摻雜合金化的γ-Ni/γ'-Ni3Al相界超胞模型，考察了P、Re交互作用對(duì)γ-Ni/γ'-Ni3Al相界斷裂

8、性質(zhì)的影響。P在相界區(qū)域中的占位趨勢(shì)幾乎不受到Re合金化的影響，并能夠與Re在相界區(qū)域共存，因此P與Re間的交互作用及其對(duì)相界性質(zhì)的作用效果不可忽視。P-Re交互作用對(duì)相界斷裂強(qiáng)度產(chǎn)生了顯著影響，當(dāng)P與Re相隔較近時(shí)，相界的斷裂強(qiáng)度相對(duì)較差，而當(dāng)P與Re之間具有一定間隔時(shí)，相界的斷裂強(qiáng)度相對(duì)較好，甚至比Re單獨(dú)合金化時(shí)更好。關(guān)聯(lián)能計(jì)算結(jié)果表明P-Re之間普遍存在著排斥作用，當(dāng)P-Re原子間距小于2.75(A)時(shí)，排斥作用明顯，且隨著原子

9、間距的減小而迅速攀升。隨著P-Re相互關(guān)聯(lián)作用強(qiáng)度的增加，γ/γ'相界的斷裂功先增大后迅速減小，即適當(dāng)?shù)腜-Re交互作用強(qiáng)度對(duì)于相界的強(qiáng)化是有利的。
　　 最后，本文考察了共存于γ-Ni/γ'-Ni3Al相界中的兩種非金屬雜質(zhì)元素S與P的復(fù)合摻雜對(duì)相界斷裂性能的有害作用。S與P的復(fù)合摻雜在很大程度上削弱了γ/γ'相界的斷裂強(qiáng)度，S與P復(fù)合摻雜的Ni/Ni3Al相界的斷裂強(qiáng)度比S或P單獨(dú)摻雜時(shí)的斷裂強(qiáng)度更低，可見，相界中共存的多種

10、雜質(zhì)元素對(duì)相界斷裂強(qiáng)度的改善是非常不利的。S與P之間的關(guān)聯(lián)作用效果與S、P雜質(zhì)原子的原子間距有關(guān):當(dāng)S與P相隔較近時(shí)，S與P之間主要是排斥作用，而當(dāng)S與P相隔較遠(yuǎn)時(shí)，其間存在相互吸引作用，相互作用強(qiáng)度隨著S、P原子間距的增大而減小。S與P之間的排斥作用會(huì)加劇相界的脆化，而S與P之間的相互吸引作用則能在一定程度上緩解其對(duì)相界強(qiáng)度的有害影響。復(fù)合摻雜導(dǎo)致相界的幾何結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，相間原子層間距增大，層間電子相互作用減弱，局域彈性應(yīng)變能增加，這

11、都將導(dǎo)致相界斷裂強(qiáng)度的削弱，引起相界的脆化。
　　 由此可見:非金屬元素的單獨(dú)摻雜，在很大程度上不利于相界斷裂強(qiáng)度與區(qū)域韌性的提高。非金屬雜質(zhì)的危害作用與其在相界區(qū)域的占位有關(guān)，某些占位下，其對(duì)相界的危害較小，對(duì)相界強(qiáng)化元素的影響也不是單純的妨害與削弱作用。跡量摻雜元素與合金化元素間的交互作用在某些特殊的占位與分布條件下，甚至比強(qiáng)化元素單獨(dú)合金化時(shí)的強(qiáng)韌化效果還好。無(wú)疑地，該結(jié)果對(duì)于基于生態(tài)設(shè)計(jì)與成本核算的鎳基單晶高溫合金中跡量