基于生態(tài)設計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航空發(fā)動機熱端部件的關鍵材料，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、實現產品的生態(tài)設計，必須對合金制備與成型過程中引入的跡量雜質元素的作用效果與危害行為進行分析，為此，本文采用第一原理計算方法，針對鎳基單晶高溫合金中的幾種常見摻雜(N、S、P)，基于生態(tài)設計的原則，對其危害作用及其作用機理進行了研究。
　　 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相界的結構性質，本文首先采用贗勢平面波方法與CASTEP總能計算程序，分析了非金屬跡量雜質元素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，進而考察了其對γ-Ni/γ'-Ni3Al相界斷裂強度與韌性的有害作用。結果表明:從能量角度上看，S、P無論是置換γ-Ni/γ'-Ni3Al相界中的某個基體Ni或Al原子還是占據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γ/γ'相界中的某個八面體間隙位相比，S、P均具有較大的趨勢優(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度，同時也導致了相界區(qū)域局部彈性應變能的增加。置換相界區(qū)域中基體Ni或Al原子的雜質N，雖然沒有引起明顯的晶格畸變，但其不能在晶胞格點處穩(wěn)定存在，會向鄰近的γ-Ni相或γ'-Ni3Al內部的八面體間隙發(fā)生非常明顯的遷移，從而在初始格點處形成Frenkel點缺陷，造成大量成鍵電

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

6、的電子能態(tài)結構，以考察非金屬雜質元素在相界的行為作用機理，摻雜在相界中的S、P以失去電子為主，N得到電子的趨勢非常強。雜質原子與其周圍近鄰原子形成了較強的電子相互作用，使得部分價電子由高能級向低能級附近聚集，在一定程度上削弱了相界區(qū)域中的金屬鍵與共價鍵作用，層間成鍵電子減少，導致了相界結合強度的降低。置換相界區(qū)域中基體原子的雜質N，會向γ相或γ'相內部間隙擴散，在初始位置處形成Frenkel空位缺陷，導致相界價電子的缺失，降低結合強度。

7、可見，N、S、P等雜質元素摻雜引起相界發(fā)生晶格畸變以及相界區(qū)域局部電子作用發(fā)生改變，這最終導致了其對相界的脆化作用效果。
　　 進一步本文考察了非金屬雜質元素P對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上，將P摻雜到相界中的晶格點陣位置或八面體間隙位，從而建立了一系列P、Re復合摻雜合金化的γ-Ni/γ'-Ni3Al相界超胞模型，考察了P、Re交互作用對γ-Ni/γ'-Ni3Al相界斷裂

8、性質的影響。P在相界區(qū)域中的占位趨勢幾乎不受到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相界性質的作用效果不可忽視。P-Re交互作用對相界斷裂強度產生了顯著影響，當P與Re相隔較近時，相界的斷裂強度相對較差，而當P與Re之間具有一定間隔時，相界的斷裂強度相對較好，甚至比Re單獨合金化時更好。關聯能計算結果表明P-Re之間普遍存在著排斥作用，當P-Re原子間距小于2.75(A)時，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相互關聯作用強度的增加，γ/γ'相界的斷裂功先增大后迅速減小，即適當的P-Re交互作用強度對于相界的強化是有利的。
　　 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元素S與P的復合摻雜對相界斷裂性能的有害作用。S與P的復合摻雜在很大程度上削弱了γ/γ'相界的斷裂強度，S與P復合摻雜的Ni/Ni3Al相界的斷裂強度比S或P單獨摻雜時的斷裂強度更低，可見，相界中共存的多種

10、雜質元素對相界斷裂強度的改善是非常不利的。S與P之間的關聯作用效果與S、P雜質原子的原子間距有關:當S與P相隔較近時，S與P之間主要是排斥作用，而當S與P相隔較遠時，其間存在相互吸引作用，相互作用強度隨著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相界強度的有害影響。復合摻雜導致相界的幾何結構發(fā)生改變，相間原子層間距增大，層間電子相互作用減弱，局域彈性應變能增加，這

11、都將導致相界斷裂強度的削弱，引起相界的脆化。
　　 由此可見:非金屬元素的單獨摻雜，在很大程度上不利于相界斷裂強度與區(qū)域韌性的提高。非金屬雜質的危害作用與其在相界區(qū)域的占位有關，某些占位下，其對相界的危害較小，對相界強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，甚至比強化元素單獨合金化時的強韌化效果還好。無疑地，該結果對于基于生態(tài)設計與成本核算的鎳基單晶高溫合金中跡量