Ru合金化Ni/Ni3Al相界断裂功的第一原理计算(2008年)资源-CSDN文库

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第 18 卷第 5 期中国有色金属学报 2008 年 5 月

Vol.18 No.5 The Chinese Journal of Nonferrous Metals May 2008

文章编号：1004-0609(2008)05-0890-07

Ru 合金化 Ni/Ni

Al 相界断裂功的第一原理计算

陈律

1, 2

，彭平

，湛建平

，田泽安

，韩绍昌

(1. 湖南大学材料科学与工程学院，长沙 410082；

2. 长沙航空职业技术学院航空装备工程系，长沙 410124)

摘要：采用第一原理赝势平面波方法计算了 Ru 合金化前后

-Ni/

′-Ni

Al 相界的电子与能态结构，并比较强化

元素 Ru 分别占据不同亚点阵位时对相界断裂强度的影响。结果表明：Ru 置换 Ni/Ni

Al 相界区域中的 Ni 或 Al

原子，都可明显提高 Ni/Ni

Al 相界的断裂强度；尤其以 Ru 置换

-Ni/

′-Ni

Al 相界界面层的 Al 原子时，对相界的

强化效果最好。电子态密度与电子密度分布图的分析结果显示：Ru 合金化对

-Ni/

′-Ni

Al 相界的强化可归因于

Ru 与其最近邻 Ni 原子间强烈的电子相互作用引起的相界区域层间原子价键强度的增强。

关键词：

-Ni/

′-Ni

Al 相界；合金化效应；第一原理计算；断裂功

中图分类号：TG 132.33 文献标识码：A

First-principles calculation on rupture work of

Ni/Ni

Al interface with Ru addition

CHEN Lü

1, 2

, PENG Ping

, ZHAN Jian-ping

, TIAN Ze-an

, HAN Shao-chang

(1. School of Materials Science and Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China;

2. Department of Aeronautical Equipment Engineering, Changsha Aeronautical Vocational and Technical College,

Changsha 410124, China)

Abstact: Using the first principles plane-wave pseudopotential method, the energetic and electronic structure of Ni/Ni

interface with Ru addition were calculated. The Griffith rupture works W of Ni/Ni

Al interface with Ru addition

demonstrate that the substitution of Ru atom for either Ni atom or Al atom is profitable to improve the rupture strength of

the interface. Among which the replacement of Ru for Al at the Ni/Ni

Al interfacial layer is the best. The analysis of

electron densities of states (DOS) and the distributions of valence electron densities of Ni/Ni

Al interface reveal that the

electronic interaction between the first nearest neighbor (FNN) Ru-Ni atoms is stronger than that between FNN Ni-Al

atoms, and the overlapping electron numbers within the interlayer on the Ni/Ni

Al interface with Ru addition increase,

compared with the interface without Ru addition. The strengthening effect of Ru on the rupture strength of

-Ni/

′-Ni

interface can be attributed to the enhancement of the interlayer bonding, which is induced by the strong interaction

between the Ru-Ni atoms.

Key words:

-Ni/

′-Ni

Al interface; alloying effect; first-principle calculation; rupture work

Ni 基单晶超合金是目前发现的使役温度最高的

一类高温合金，是发展先进航空发动机涡轮盘与涡轮

叶片的首选材料。其结构主要是由具有 L1

-Ni

Al 有

序金属间化合物结构的

′ 析出相共格沉淀在具有

Fcc-Ni 固溶体结构的

基体上构成，而合金化则一直

是此类合金得以发展的一个主要方法。随着人们对其

结构性能间关系认识的深入，Ni 基单晶超合金研发已

取得很大的进展，以 Ru 部分取代 Re 为标志，已经开

基金项目：国家自然科学基金资助项目(50771044)；湖南省科技计划资助项目(06FJ4117)；湖南省教育厅科学研究资助项目(06D002)

收稿日期：2007-07-27；修订日期：2008-01-15

通讯作者：彭平，教授，博士；电话：0731-8821610；E-mail: ppeng@hnu.cn

第 18 卷第 5 期陈律，等：Ru 合金化 Ni/Ni

Al 相界结构特性的第一原理计算

891

发出第四代单晶超合金

[1]

。

实验上，ALCHEMI 的分析结果

[1]

表明：60%以上

的 Ru 富聚在

′-Ni

Al 相区占据 Al 点阵位，余下的不

足 40%的 Ru 分散在

′-Ni

Al 相或

-Ni 相区占据 Ni 点

阵位。虽然 Ru 合金化的强韧效果已得到证实

[1]

，但其

作用机理却不是很清楚。由于第一原理计算能从原子

与电子结构层次上揭示材料微结构区域的强韧化特

性，所以，近年来很多作者

[2−6]

针对

-Ni 与

′-Ni

Al 相

及

-Ni/

′- Ni

Al 相界的合金化效应进行了研究，如

LIU 等

[2]

采用分子轨道理论 DV-X

方法考察了 B，P，

C，O 和 N 等痕量元素对 Ni/Ni

Al 团簇模型相界结合

强度的影响，CHEN 等

[3−6]

则进一步采用基于密度泛函

理论的 DMol 程序，计算了 Mo，W，Nb 等单独合金

化、Re 和 Ru 及 Re 和 S 复合合金化时 Ni/Ni

Al 团簇

模型的电子结构和价键特性，并通过层内与层间原子

的重叠聚居数分析，表征和考察了掺杂与合金化前后

Ni/Ni

Al 相界的剪切强度与区域韧性。本课题组采用

超胞模型，运用赝势平面波方法 CASTEP 程序，对

-Ni/

′-Ni

Al 界面结构特性进行过研究

[7−10]

，计算了 P

和 B 掺杂

[8]

、Re 单独合金化

[9]

、Re 与 Ru 复合合金

化

[10]

对 Ni/Ni

Al 界面断裂强度与脆化特性的影响，并

从电子与价键结构上对其强韧化机制进行了分析。考

虑到现有研究在考察 Ni/Ni

Al 相界合金化时缺乏对

Ru 合金化的系统研究，即仅仅考察和分析了 Ru 在

′-Ni

Al 相区占 Al 点阵位这种主要位置时对 Ni/Ni

相界性能的影响及其机制，而没有考察其 40%的原子

占

′-Ni

Al 相或

-Ni 相中 Ni 点阵位时的情形，为此，

本文作者分别考察 Ru 占

-Ni 相或

′-Ni

Al 相中不同

亚点阵位时对 Ni/Ni

Al 相界强化特性的影响，并从电

子结构层次上对 Ru 强韧化作用机制进行初步分析。

1 计算模型与方法

1.1 计算方法

计算采用 CASTEP 总能计算软件包。CASTEP 是

基于密度泛函理论的第一原理赝势平面波方法

[11]

。采

用周期性边界条件，晶体波函数由平面波基组展开。

在这里，交换−关联能采用局域密度近似(LDA)，赝势

采用倒空间表述的 Cepeley-Alder 超软(ultrasoft)赝

势

[12]

。计算之前，简单测试了 Ni

Al 中 Ni 和 Al 的赝

势，测试结果见表 1。与平衡晶格常数、形成热与体

模量的计算值与实验值符合较好。动能截断点取 330.0

eV，使用基集修正

[13]

，应用 Pulay 密度混合法

[14]

。计

算之前，先用 Broyden-Flecher-Goldfarb-Shanno(BFGS)

方法

[15]

进行几何优化。自洽计算(SCF)时，体系总能

量收敛值取 1.0×10

−3

eV/atom，每个原子上的力低于

1 eV/nm，公差偏移小于 5.0×10

−3

nm，应力偏差小于

0.2 GPa。

表 1 Ni

Al 中 Ni 和 Al 赝势测试结果

Table 1 Test results of ultrasoft pseudopotentials of Ni and Al

in Ni

Research

Lattice

constant/nm

Heat of

formation/

(eV·atom

−1

)

Bulk

modulus/

Mbar

This work 0.357 2.27 2.20

TB-LMTO

[16]

0.351 2.20 1.46

AE-LMTO

[17]

0.355 1.94 2.10

Expt.

[16−17]

0.357 1.59−1.62 2.40

1.2 相界计算模型

假定基体

与析出相

′完全共格，基于 HARADA

等

[18]

的 AP/FIM 分析结果，依据本课题组对 Ni 与 Ni

单晶表面模型的测试结果

[10]

，以

-Ni 与

′-Ni

Al 公共

原子层{002}为界面构造 Ni/Ni

Al 超胞模型(如图 1(a)

所示)。超胞晶格常数

2/)(

AlNiNi

aaa +

。模型由 9

个 Ni 原子层与 7 个 Ni

Al 原子层组成

[10]

，包含 64 个

原子和 2 个对称相界，如图 1(a)所示，其中(001)

，

(001)

′和 (002)

′分别表示

-Ni 相区与

′-Ni

Al 相区

中(001)原子层和

-Ni/

′-Ni

Al 相界共格(002)原子层。

忽略 2 个相邻相界之间的相互作用。由于(002)原子层

既可看成 fcc-Ni 相的表面，也可看作 L1

-Ni

Al 相的

表面，因此，上述模型存在如下 2 种取向关系，即：

(002)

//(001)

′和(001)

//(002)

′。相应地，存在如下 4

个表面模型，即：

-Ni 相 (002)与

′-Ni

Al 相(001) 表

面模型和

-Ni 相(001)与

′-Ni

Al 相(002) 表面模型(见

图 1(b)和图 1(c))。考虑到先前的实验研究结果

[1]

，60%

以上的 Ru 占据

′-Ni

Al 相区的 Al 原子位，由此推断，

余下 40%左右的 Ru 势必分散在

′-Ni3Al 相或

- Ni 相

中的 Ni 点阵位，为此本文进一步构造了 7 个 Ru 单独

合金化的相界模型(如图 1(a)所示)，即 Ru 占 a 位(Re

→a)的 Model-2，Ru 占 b 位(Ru→b)的 Model-3，Ru 占

c 位(Ru→c)的 Model-4，Ru 占 d 位(Ru→d)的 Model-5，

Ru 占 e 位的(Ru→e)的 Model-6，Ru 占 f 位的(Ru→f)

的 Model-7 和 Ru 占 g 位的(Ru→g)的 Model-8，并且

基于对称性的考虑，在所有的合金化模型中，合金化

原子均对称分布在 2 个相界区域内。

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