V掺杂Ni3Al点缺陷结构及合金化效应的第一性原理研究

基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势方法研究了V掺杂Ni3Al合金的电子结构和点缺陷结构.通过计算与实验结果对比选择了适合Ni3Al合金计算的近似方法,计算了含有各个缺陷的晶胞的晶格常数,形成热和结合能,点缺陷的形成能和平衡浓度,态密度和电荷密度.计算结果表明:Ni3Al合金中反位缺陷较空位缺陷易形成,NiAl是Ni3Al合金中最主要的反位缺陷,Al位最易形成缺陷,在1400 K时,空位缺陷的浓度远远低于反位缺陷的浓度.V加入Ni3Al合金体系中能提高合金的稳定性.     

B2-RuAl点缺陷结构的第一原理计算

采用第一原理赝势平面波方法,计算了B2-RuAl金属间化合物的基本物性及其点缺陷结构的几何、能态与电子结构,通过对不同点缺陷结构形成热与形成能的计算与比较,分析和预测了RuAl金属间化合物中点缺陷结构的种类与存在形式.结果表明：RuAl金属间化合物的点缺陷主要是Ru空位和Al反位,在富Ru合金中主要为Ru反位,在富Al合金中则主要是Al反位.这些点缺陷主要以Ru-Ru双空位和Al-Al双反位的组态结构形式出现,并且双空位以Ru-Ru为第一近邻时其点缺陷结构最稳定,而双反位则是以Al-Al为第三近邻时稳定性最高.进一步通过对NiAl和RuAl不同点缺陷结构Cauchy压力的比较,发现点缺陷对RuAl塑性的降低程度比NiAl低,因而含有点缺陷的实际合金的室温塑性RuAl比NiAl好.     

基于马儿可夫链B2-NiAl反位缺陷的模型推导与计算

基于马儿可夫链理论和Bragg-Williams型方程,建立了描述反位缺陷占位几率的基本方程和转移几率;推导出了平衡时空位与反位缺陷浓度的表达式。利用所建模型结合第一性原理平面波赝势法系统研究了NiAl中各种点缺陷,从定量计算和电子结构角度论证了平衡状态下,在Ni:Al=1附近,Ni和Al原子的占位服从Fermi-Dirac统计,并且当温度从800增加到1300K时,NiAl几率比AlNi几率大106～109倍,反位缺陷以NiAl为主。VNi浓度比AlNi浓度大105～107倍、而NiAl浓度比VAl浓度大106～1010倍。对于同一原子而言,NiAl比VNi稳定,AlNi比VAl稳定。     

D0_(19)-Ti_3Al中点缺陷浓度与相互作用的第一性原理研究

采用Wagner-Schottky点缺陷热力学模型和第一性原理平面波赝势方法,计算研究了D019-Ti3Al金属间化合物中空位和反位2种类型点缺陷的形成焓、平衡浓度及相互作用。结果表明,这些缺陷的平衡浓度均随温度升高而增大,反位缺陷浓度均高于空位缺陷,Ti原子空位的浓度高于Al原子空位。在理想化学计量比成分下,Ti原子反位与Al原子反位缺陷浓度基本相当;在略偏离计量比的富Ti成分端,Ti原子的反位缺陷浓度高于Al原子;在富Al成分端则情形相反。计算结果表明,3种点缺陷对(Al_(Ti)-Ti_(Al)、Ti_(Al)-Ti_(Al)、V_(Al)-Al_(Ti))在基体中具有较强的聚集趋势,而其它类型的点缺陷对则有向基体扩散的趋势。     

点缺陷对B2-CoSc化合物物性影响的第一性原理研究

利用第一性原理的Castep软件,对B2型金属间化合物Co Sc的16种点缺陷的热力学参数、电子结构和弹性常数进行计算,分析16种点缺陷存在的类型及对化合物力学性能的影响。结果表明:Co单空位形成热和结合能分别是-6.78 e V和-0.43 e V,Co单空位化合物最容易形成、稳定性最好;其次是Co单反位化合物,形成热和结合能分别是-6.152 e V和2.504 e V。从而得出16种点缺陷最稳定存在形式是Co空位和Co反位;存在的组态是Co单空位、Co双空位、Co三空位和Co双反位。由电子态密度图中的费米能级和赝能隙也定性判断出,Co空位和反位缺陷化合物比Sc空位和反位缺陷化合物稳定。计算6种点缺陷的泊松比?可知,Co三空位的化合物金属键最强、塑性最好。与完整的Co Sc金属间化合物塑性相比,有空位缺陷的金属间化合物塑性得到提高。     

L12-Al3Li金属间化合物点缺陷浓度的第一原理计算

运用第一原理平面波赝势方法计算L12-Al3Li金属间化合物点缺陷的形成焓,并结合Wagner–Schottky模型,研究L12-Al3Li金属间化合物在523、673、823和1 000 K时点缺陷浓度与成分之间的关系。结果表明:在这4个温度下,L12-Al3Li金属间化合物中Al空位浓度最小,Li空位浓度次之,Al反位和Li反位的缺陷浓度较大。Al反位和Li反位缺陷浓度在理想金属间化合物Al3Li化学计量比成分处基本相同,不过两种反位的缺陷浓度随着合金成分相对于化学计量比成分的偏离而变化显著,在富Al端Al反位缺陷浓度较大,在富Li端Li反位缺陷浓度较大。运用Arrhenius方程计算点缺陷的有效形成焓,结果显示Al反位和Li反位的有效形成焓较小且基本相同,Li空位次之,Al空位最大。     

微观相场法计算Fe含量对NiAlFe三元合金中反位缺陷的影响

采用三元微观相场模型,对铝含量大于25%(原子分数,下同)与镍含量大于75%(原子分数,下同)的NiAlFe三元合金中反位缺陷NiAl、AlNi随Fe含量变化的规律进行模拟计算,其中NiAl(AlNi)表示Ni(Al)原子占据Al(Ni)格点产生的反位缺陷。结果表明:在一定温度范围内,随着Fe含量的增大,铝含量大于25%的NiAlFe合金中AlNi浓度明显上升,NiAl浓度略有上升,但小于AlNi浓度,相反在镍含量大于75%的NiAlFe合金中NiAl浓度明显上升且远大于AlNi浓度;同一温度下比较铝含量大于25%与镍含量大于75%的NiAlFe合金中反位缺陷受Fe含量影响的程度差异,发现前者的AlNi浓度比后者受Fe含量影响大,而后者的NiAl浓度比前者受Fe含量影响大。此外,反位缺陷NiAl和AlNi浓度随时间的演化规律均是逐渐由初始值降低至平衡值;温度升高促使反位缺陷演化变缓慢以及平衡时浓度增大。     

微观相场法研究高铝Ni75AlxV25-x中Ni3Al反位缺陷

采用微观相场法研究高Al浓度Ni75Akv25-x合金析出相Ni3Al的反位缺陷随Al浓度增高的变化规律.选取在1150 K温度下时效从8 at%Al至20 at%Al的共14个合金作为研究对象.研究结果显示:此类型合金主要反位缺陷类型是VAl、NiAl;随Al浓度增高,反位缺陷AlNi增高:而Ni Al、VAl、VNi 3种反位缺陷变化与Al浓度和Ni3V析出与否相关,Al浓度稍低时,有Ni3v相析出,Al浓度增高反位缺陷Ni Al降低,VHi升高,VAl没变化;Al浓度稍高时,无Ni3V相析出,Al浓度增高反位缺陷NiAl稍有降低,VNi、VAl明显降低.     

L1_2-Co_3X(X=Ti,Ta,Al,W,V)点缺陷结构的理论计算

运用第一性原理赝势平面波方法,研究了L1_2-Co_3X(X=Ti,Ta,Al,W,V)金属间化合物的基本物性及其点缺陷结构的几何、能态与电子结构。通过对相应合金中两种组元原子的空位和反位点缺陷结构形成热与结合能的计算与比较,分析了L1_2-Co_3X(X=Ti,Ta,Al,W,V)金属间化合物中点缺陷结构的种类与存在形式。结果表明,L1_2-Co_3X(X=Ti,Ta,Al,W,V)金属间化合物的点缺陷结构与L1_2-Ni_3Al合金保持一致,主要是Co原子晶格以及X原子晶格上出现反位缺陷。基于晶体总电子态密度结构信息的分析,很好地验证了上述计算结果。     

B2-YX（X=Cu，Rh，Ag，In）点缺陷结构及其基本物性的理论计算

采用第一原理赝势平面波方法，计算了B2-YX（X=Cu，Rh，Ag，In）金属间化合物的基本物性。通过对不同点缺陷结构形成热和形成能的计算与比较，分析和预测了B2-YX金属间化合物中点缺陷结构的种类与存在形式。结果表明：B2-YX点缺陷结构主要是X子晶格上的空位与Y子晶格上的反位，在富Y的YX金属间化合物中主要为X空位，在富X的YX金属间化合物中则主要是X反位。通过对B2-YX金属间化合物完整晶体与点缺陷结构Cauchy压力参数C12．C44和G／B。值的比较，发现点缺陷能明显提高B2-YX金属间化合物的室温塑性，推测这很可能是含有点缺陷的实际B2-YX多晶材料比无缺陷理想单晶和NiAl多晶材料表现出更好室温塑性的原因之一。     

Fe对NiAl力学性能影响的第一原理计算

采用第一原理赝势平面波方法,基于虚拟晶体势函数近似(VCA),计算Fe合金化(浓度x<3.0%,原子分数,下同)时完整与缺陷B2-NiAl晶体的弹性性质,并采用弹性常数C44、Cauchy压力参数(C12-C44)、杨氏模量E、剪切模量G及其与体模量B0的比值G/B0等,表征和评判Fe合金化浓度x对NiAl金属间化合物延性与硬度的影响。结果表明:无论是无缺陷的理想NiAl晶体,还是含Ni空位或Ni反位的NiAl缺陷晶体,x<0.6%的Fe合金化均可使其硬度大幅提高。Fe合金化浓度低于0.5%时,虽然完整NiAl晶体的延性变差,但含Ni空位的缺陷NiAl晶体的延性却可明显改善,并以x=0.2%～0.4%时韧化效果最好。Ni空位或Ni反位降低B2-NiAl晶体的本征延性。实验中0.20%～0.25%的Fe合金化对NiAl晶体延性的改善很可能源于Fe原子与NiAl晶体中Ni空位间的关联与协同作用。     

金属间化合物Ni3Al点缺陷的理论计算

本文建立起Ll_2型金属间化合物点缺陷的平衡方程,计算了Ni_3Al中反位置缺陷、空位的浓度分布并通过考察点缺陷的温度效应,在理论上澄清了对Ni_3Al中“组分点缺陷”性质的认识     

微量P对NiAl力学性能影响的理论研究

采用第一原理赝势平面波方法和基于虚拟晶体势函数近似(VCA),计算了P微合金化(浓度x<0.2at%)时完整与缺陷B2-NiAl晶体的弹性性质,并采用弹性常数C44、Cauchy压力参数(C12-C44)、杨氏模量E、剪切模量G及其与体模量B0的比值G/B0等,表征和评判了P微合金化浓度x对NiAl金属间化合物延性与硬度的影响。结果表明:无论是理想NiAl晶体,还是含Ni空位或Ni反位的NiAl缺陷晶体,P合金化不能有效的影响其硬度的变化趋势;随着P合金化浓度的稳步增加,理想NiAl晶体的Cauchy压力参数和G/B0比值的变化再现了0.07at%的P可以提高NiAl的室温压缩塑性的实验结果,而缺陷NiAl晶体的Cauchy压力参数和G/B0比值的变化比较好的解释了实验上出现0.03at%的P提高NiAl室温压缩塑性可能是因为Ni反位协同占据Al原子位的P相互作用的缘故。     

空位缺陷对单层MoS_2电子结构的影响

为了研究单层Mo S2中的空位缺陷形成及其对电子结构的影响,基于密度泛函理论框架下的第一性原理,采用平面波赝势方法分别计算了单层Mo S2中Mo空位和S空位的形成能、空位附近的晶格畸变、Mo S2层中的电子分布以及态密度(DOS)和能带结构。计算结果显示,2种空位缺陷都具有点缺陷特征,其附近的电子分布呈现出明显的局域化特点,且S空位比Mo空位更容易形成。通过与本征态Mo S2电子结构的对比分析,发现2种空位缺陷的存在对单层Mo S2的电子结构、尤其是对导带高能量区域的能态密度会产生十分明显的影响,这些影响可能与空位缺陷引入的缺陷能级有关。     

基于Miedema模型Al3X(Sc, Er, Zr, Li)点缺陷形成焓的计算

运用Miedema模型研究了Al3X(Sc,Er,Zr,Li)金属间化合物的形成焓,并结合点缺陷形成理论计算了Al3X空位和反位缺陷的形成焓。结果表明Al-Sc和Al-Er系形成焓较为接近,说明Sc和Er在Al中性质相近。Al-X(Sc,Er,Li)二元化合物中X原子的空位形成焓高于Al原子的空位形成焓,表明Al-X系二元化合物更易形成Al空位。Al3Er反位缺陷形成焓最大,Al3Zr和Al3Sc居中,Al3Li最小。Al3Sc、Al3Er和Al3Zr易于出现空位和反位两类缺陷共存的情形,而Al3Li反位缺陷形成焓明显小于空位形成焓,因而更易形成反位缺陷。     

金属间化合物L1_0-TiAl点缺陷浓度的第一原理

采用第一原理平面波赝势方法,结合Wagner-Schottky缺陷热力学模型,研究金属间化合物L10-TiAl中各种空位和反位点缺陷的形成焓、热力学平衡浓度及其相互作用等。结果表明:这些缺陷的热力学平衡浓度均随温度的升高而增大,其中反位缺陷浓度均高于空位缺陷浓度,Ti空位浓度高于Al空位浓度。在理想化学计量比成分下,Ti反位缺陷的浓度与Al反位缺陷的基本相当;在略偏离计量比的富Ti成分端,Ti反位缺陷的浓度高于Al反位缺陷的;在富Al成分端则相反。不同点缺陷之间均普遍存在相互排斥性,难以聚集,将倾向于向基体中分散和扩散。     

高温结构金属间化合物及其强韧化机理

综述了自1988年以来中国科学院高温合金和金属间化合物研究组(郭建亭研究组)在高温结构金属间化合物NiAl及其合金、Ni3Al及其合金、FeAl和Fe3Al及其合金、TiAl合金以及金属间化合物环境脆性方面的主要研究成果:NiAl合金超塑性的发现及其机理研究;稀土元素改善NiAl合金的室温塑性和高温抗氧化性能;NiAl合金的韧脆转变行为及其机理;纳米晶NiAl合金及其复合材料的强韧化;内生颗粒增强NiAl基复合材料及强韧化机制;NiAl合金良好的耐高温摩擦磨损性能及自润滑机理的发现;NiAl中合金元素的作用与JJ-3合金的发展;在国际上首先发现适量Zr可韧化无硼Ni3Al合金;为使Ni3Al强韧化硼含量应加至溶解度附近;FeAl合金反常屈服峰的发现及其机理研究;微量Mg可明显改善FeAl和Fe3Al合金的室温塑性;TiAl-W-Si合金的组织、相转变和界面精细结构;金属间化合物的环境脆性实质是氢致脆性;在国际上首先用第一原理方法(DVM)研究了L12型CO3Ti的环境脆性.     

NiAl合金变截面管件热态气压成形-反应制备复合工艺

NiAl金属间化合物具有较高的高温强度且密度低于传统镍基高温合金，针对NiAl合金变截面薄壁构件制造难题，开展了Ni/Al叠层材料变截面管件热态气压成形-NiAl合金反应制备的复合成形工艺研究。首先，通过Ni/Al界面调控，制备出层间结合紧密且塑性高的Ni/Al叠层圆筒坯；然后，在不同工艺参数下研究了Ni/Al叠层材料的热态气压成形规律及微观损伤控制方法，成形出贴模良好的变截面管件；最后，通过反应制备将Ni/Al叠层材料构件转变为NiAl合金构件。研究表明：温度和气压加载速率是Ni/Al叠层材料热态气压成形的关键参数，在合理的温度下，通过气压加载速率调控应变速率，可避免微观损伤、控制圆角精度；经反应制备获得的NiAl合金变截面薄壁构件，其900℃时的抗拉强度达到110 MPa。     

Cr对Ni_3Al合金化效应的赝势平面波方法

基于第一性原理赝势平面波方法研究了Cr加入Ni-Al合金后对Ni3Al几何和电子结构的影响,计算了不同强化相的晶胞总能量、形成热、结合能、费米能级下的成键电子数以及态密度、电荷密度,从不同角度出发,研究了不同强化相的稳定性.计算结果表明Ni-Al合金中添加Cr,Cr优先置换Al位且析出的新强化相较原强化相Ni3Al更为稳定,原因在于含Cr的新强化相在低能级处强烈成键,提高了其稳定性,其中Ni6Cr2最为稳定,但只在590℃下稳定存在,Ni5AlCr2、Ni6AlCr、Ni4Al2Cr2、Ni5Al2Cr稳定性依次降低.     

Al-Li合金时效初期的价键分析

运用固体经验电子理论(EET),对Al-Li合金时效初期的若干偏聚晶胞的价电子结构进行了计算.计算结果表明:不包含空位的偏聚晶胞的键络最强键为Al-Al键,其中Al原子的共价半径较Li原子的共价半径要大;而含空位的偏聚晶胞的最强键为Al-Li键,Al原子的共价半径要比Li原子的共价半径要小;在空位存在的情况下,由于Al原子与Li原子的电负性相差明显,促使Al和Li原子结合,倾向形成Al-Li短程序结构偏聚区,这种含空位的短程序结构很可能就是δ′(Al3Li)亚稳相的前兆结构和生长胚胎;由于Al-Li-空位有序偏聚晶胞的Al-Li键络比基体键络要强许多,因此,淬火过程中合金生成的Al-Li-空位偏聚晶胞对合金过饱和固溶体起主要强化作用;后续析出的δ′(Al3Li)亚稳相键络各项异性显著,键络强度明显提高;由于Al3Li与基体共格,其大量均匀弥散析出起到提升基体整体键络强度,同样对合金产生强化作用.