铬和镍的添加对Fe3Al合金力学性能影响的DFT研究

利用第一原理研究了过渡金属元素 Cr 或 Ni 在 Fe₃Al合金中的优先占位行为及其合金化效应. 计算结果表明: Cr 或 Ni 的取代有助于Fe₃Al 合金体系更稳定, Cr 优先占据 Fe_I 位, Ni 优先占据 Fe_II位. Fe₂NiAl-II 具有最小的剪切模量G, 杨氏模量E和G/B值, 因此Fe₂NiAl-II合金的韧性、延展性最佳. 态密度和电荷密度图表明, 过渡金属元素的取代提高了它们与近邻基体原子之间的相互作用, 削弱了Al和Fe的相互作用.     

嵌入原子法研究Ni3Al中点缺陷以及Re择优占位和集团化

基于纯金属元素Ni，Al和Re的基本物理性质，建立了一个Ni-Al-Re三元体系的分析型嵌入原子多体势.结合分子动力学计算了Ni₃Al的平衡晶格常数、弹性模量、结合能、空位形成能以及反位置缺陷形成能，并分析了Ni₃Al中点缺陷的存在形式.计算结果表明，当成分偏离理想化学配比时出现反位置缺陷.同时研究了Re在Ni₃Al中的择优占位以及Re在Ni₃Al和Ni中的集团化行为.计算结果表明，Re在Ni₃Al中优先置换Al的位置，且发现当Re原子团的尺寸接近于11?时，Re原子团的长大趋势变弱.计算结果与实验以及其他的理论计算结果相符合. 关键词： 嵌入原子势 3Al')" href="#">Ni₃Al Re 占位 集团化     

Nb在Ni3Al中取代行为及合金化效应的第一性原理研究

采用基于第一性原理的平面波赝势方法,研究了Nb原子在Ni₃Al中的格点取代行为及合金化效应.通过对不同原子被置换后体系的形成热、结合能及电子态密度的计算和比较,发现Nb原子倾向于取代Ni₃Al中的Al原子,其取代行为主要由系统的电子结构决定,计算结果与实验相符.为了进一步研究Nb原子的取代行为,对Nb原子占据的格点以松散或紧凑分布下体系的总能、形成热、结合能以及电子态密度进行了计算,结果表明Nb原子占据的格点更倾向于紧凑分布.为了研究Nb对Ni_{3关键词： 第一性原理 3}Al合金')" href="#">Ni₃Al合金 电子结构 合金化效应     

Ta和Re对Ni/Ni3Al相界面断裂强度和蠕变强度的影响

采用基于密度泛函理论和广义梯度近似的第一原理方法,探究Ta元素和Re元素在Ni/Ni3Al相界面中的相互作用及其对界面强度的影响.计算表明:在绝大多数化学计量比范围内, Ta原子优先占据γ相中的顶点Ni位, Re原子优先占据γ’相中的Al位, Re原子和Ta原子共合金化时掺杂位置不发生改变.通过格里菲斯断裂功、不稳定堆垛层错能及空位迁移能的计算,得出Ta和Re合金化都可以增强界面的格里菲斯断裂能,提高界面的结合强度,两种合金化元素均提高了体系的不稳定堆垛层错能,即提高了界面阻碍位错运动的能力和抵抗变形的能力,其中Re的单独合金化效果更好.两种元素的掺杂提高了界面上空位迁移的势垒,阻碍了空位的发射和吸收,进而提高了合金的蠕变能力.     

Ni4NdB电子结构和磁性能第一性原理研究

采用第一性原理,在局域自旋密度近似LSDA及LSDA+U近似,对Ni₄NdB化合物进行结构优化,计算体系晶格常数,电子结构和磁性能.结果表明,Ni₄NdB为带隙很小的金属导体,存在Nd-Ni铁磁耦合,体系总磁矩由Nd原子局域磁矩提供.体系原子成键较为复杂,Nd原子与近邻Ni原子成金属键,Nd原子与近邻B原子成较强离子键,Ni原子与近邻Ni原子间存在间接交换相互作用.在U作用下,体系磁矩与Nd原子磁矩变化一致,Ni原子磁矩在2.75 eV呈现磁有序-磁有序崩溃转变 关键词： 密度泛函理论 电子结构 磁性能 稀土过渡金属间化合物     

难熔元素钨在NiAl位错体系中的占位及对键合性质的影响

用第一性原理离散变分方法研究了难熔元素钨(W)在金 属间化合物NiAl<100>(010)刃型位错体系中的占位以及对键合性质的影响, 计算了纯位错体系和掺杂体系的能量参数(结合能、 杂质偏聚能及原子间相互作用能)、 态密度和电荷密度分布. 体系结合能和杂质偏聚能的计算结果表明: 难熔元素W优先占据Al格位. 此外,由于难熔元素W的4d轨道与近邻基体原子Ni的3d轨道和Al的3p轨道的杂化, 使得掺杂体系中难熔元素W与近邻基体原子间的相互作用能加强; 同时难熔元素W与位错芯区近邻基体原子间有较多的电荷聚集, 这表明W与近邻基体原子间形成了较强的化学键. 难熔元素W对NiAl化合物的能量及电子结构有较大的影响, 从而影响位错的运动及NiAl金属间化合物的性能. 关键词： 电子结构 位错 金属间化合物 杂质     

用双粒子模型研究微量元素与Ni在Ni3Al晶界共富集现象

双粒子模型的基础是描述原子之间相互作用势为EAM(embedded atom method)势的Monte Carlo模拟. 模型建议：在Ni₃Al晶界弛豫时，微量元素原子既被看作为偏析子又被看作为诱发子. 作为偏析子它在晶界偏析(或富集)，作为诱发子它诱发Ni原子在晶界偏析(或富集). 可见本模型能解析共偏析(或共富集)现象. 根据正(或诱发子)效应与负(或偏析子)效应的联合影响，模型解释了Ni在Ni₃Al晶界最明显富集现象. 关键词： 偏析子与诱发子 基体效应 在晶界共富集 晶界内聚性     

镍基单晶超合金Ni/Ni3Al晶界的分子动力学模拟

在镍基单晶超合金中，由于单晶Ni的晶格常数比单晶Ni₃Al的稍小，在Ni/Ni3Al晶界面 上必然要出现错配.采用分子动力学模拟了镍基单晶超合金的Ni/Ni₃Al晶界的结 构，考虑 了两个不同的初始模型，并进行了分子动力学弛豫.弛豫的结果均表明：由于晶格的差异形 成的错配能不是通过长程晶格错配的方式来释放，而是通过在局部区域形成位错的方式释放 的.由于Ni₃Al相周围Ni相环境的不同，形成的位错也有所不同. 关键词： 镍基单晶超合金 晶界 分子动力学模拟     

Re对Ni_3Al微观结构及力学性质影响的第一原理研究

应用基于密度泛函理论和广义梯度近似的第一原理方法,探究了Re元素掺杂镍铝合金中γ'相Ni_3Al之后微观结构和力学性质的变化.结果表明,在大部分化学计量比范围内,Re原子在Ni_3Al中易于替代Al位.Re的掺杂引起Ni_3Al晶格常数小幅度地增大,且不会引起严重的晶格畸变.通过差分电荷密度及态密度分析得到Re原子与近邻原子产生轨道相互作用,尤其是与Ni原子作用较强,并使周围Ni-Al键键能降低.通过计算弹性模量,应用经验判据得到掺杂后Ni_3Al的刚性、硬度增强.随着Re掺杂浓度的增加,Ni_3Al晶格常数、刚性和硬度随之增大.为了对第一性原理所得结果进行温度修正,进一步结合声子谱计算考察了温度对力学性质的影响.Re的掺杂使得Ni_3Al晶胞的熵略微增加,自由能略微降低,并且大幅度地增加Ni_3Al在高温下的体弹性模量,同时降低Ni_3Al在高温下的热膨胀系数.     

杂质P对α-Fe中刃型位错上扭折电子结构的影响

利用离散变分方法和DMol方法,研究了P对bcc Fe中［100］(010)刃型位错上扭折电子结构的影响,计算了杂质偏聚能、原子间相互作用能、电荷密度及态密度.计算结果表明：微量P引入体系后,电荷发生了重新分布,P原子得到电子,其周围Fe原子失去电子,由于P原子的3p轨道与近邻Fe原子的3d4s4p轨道之间杂化,使P原子与近邻Fe原子间有较强的相互作用,不利于扭折的迁移,使位错运动受阻,有利于材料强度的提高.同时,杂质P原子与基体原子间的成键主要是d,p轨道起作用,使得它们之间的成键有较强的方向性,有可能 关键词： 电子结构 刃型位错 扭折 杂质元素     

High-temperature site preference and atomic short-range ordering characteristics of ternary alloying elements in γ’-Ni3Al intermetallics

Abstract

Remarkable high-temperature mechanical properties of nickel-based superalloys are correlated with the arrangement of ternary alloying elements in L1₂-type-ordered γ′-Ni₃Al intermetallics. In the current study, therefore, high-temperature site occupancy preference and energetic-structural characteristics of atomic short-range ordering (SRO) of ternary alloying X elements (X = Mo, W, Ta, Hf, Re, Ru, Pt or Co) in Ni₇₅Al_21.875X_3.125 alloy systems have been studied by combining the statistico-thermodynamical theory of ordering and electronic theory of alloys in the pseudopotential approximation. Temperature dependence of site occupancy tendencies of alloying X element atoms has been predicted by calculating partial ordering energies and SRO parameters of Ni-Al, Ni-X and Al-X atomic pairs. It is shown that, all ternary alloying element atoms (except Pt) tend to occupy Al, whereas Pt atoms prefer to substitute for Ni sub-lattice sites of Ni₃Al intermetallics. However, in contrast to other X elements, sub-lattice site occupancy characteristics of Re atoms appear to be both temperature- and composition-dependent. Theoretical calculations reveal that site occupancy preference of Re atoms switches from Al to both Ni and Al sites at critical temperatures, T_c, for Re > 2.35 at%. Distribution of Re atoms at both Ni and Al sub-lattice sites above T_c may lead to localised supersaturation of the parent Ni₃Al phase and makes possible the formation of topologically close-packed (TCP) phases. The results of the current theoretical and simulation study are consistent with other theoretical and experimental investigations published in the literature.     

Effect of alloying Re and Ru in the edge-dislocation core of the Ni/Ni3Al interface

Investigations of alloying Re and Ru in the [110](001) dislocation core of the Ni/Ni3Al interface were conducted within the framework of density functional theory.The energetic calculations show that both elements can stabilize the [110](001) dislocation core.In the dislocation core region,Re and Ru prefer to substitute for Ni on the site in the γ-phase.Re is easier to segregate into the dislocation core region as compared with Ru;it especially prefers to substitute for Ni on the γ-(Ni)1 site.     

Effect of alloying element on dislocation cross-slip in γ′-Ni3Al: a first-principles study

The effects of alloying elements Re, Ru, Ta, Ti, and W on the activation enthalpy of dislocation cross-slip in γ′-Ni₃Al are studied combining density functional theory calculations with the classical theory of dislocations. The elements Re and W are found to effectively increase planar fault energies on the (111) plane and decrease the cross-slip activation enthalpy in Ni₃Al. The reduction of activation enthalpy will increase the probabilities of cross-slipping and forming sessile dislocation locks. Therefore, Re and W can inhibit the further motion of dislocations and raise the flow stress of Ni₃Al in the anomalous temperature regime. The underlying electronic mechanism is the strong bonding of Re–Ni and W–Ni and the weak bonding of Re–Al and W–Al in fault areas.     

Effect of P impurity on NiAlΣ5 grain boundary from first-principles study

First-principles calculations based on the density functional theory(DFT) and ultra-soft pseudopotential are employed to study the atomic configuration and charge density of impurity P in Ni Al Σ5 grain boundary(GB). The negative segregation energy of a P atom proves that a P atom can easily segregate in the Ni Al GB. The atomic configuration and formation energy of the P atom in the Ni Al GB demonstrate that the P atom tends to occupy an interstitial site or substitute a Al atom depending on the Ni/Al atoms ratio. The P atom is preferable to staying in the Ni-rich environment in the Ni Al GB forming P–Ni bonds. Both of the charge density and the deformation charge imply that a P atom is more likely to bond with Ni atoms rather than with Al atoms. The density of states further exhibits the interactions between P atom and Ni atom, and the orbital electrons of P, Ni and Al atoms all contribute to P–Ni bonds in the Ni Al GB. It is worth noting that the P–Ni covalent bonds might embrittle the Ni Al GB and weakens the plasticity of the Ni Al intermetallics.     

B改善单晶和多晶Ni3Al合金力学性能的微观机制

通过测量Ｂ含量从０．００至２．２２ａｔ％的单晶和多晶Ｎｉ₃Ａｌ合金的正电子寿命谱，研究了单晶和多晶Ｎｉ₃Ａｌ合金中的微观缺陷和电子结构。结果表明，多晶Ｎｉ₃Ａｌ合金晶界中存在着开空间大于空位的缺陷。晶界缺陷处参与形成Ｎｉ－Ｎｉ和Ｎｉ－Ａｌ键的价电子浓度比基体或位错处的低，晶界是结合力弱化区域。偏聚到Ｎｉ₃Ａｌ合金缺陷上的Ｂ与缺陷处的Ｎｉ或Ａｌ原子形成强的共价键而增强了这些地方的结合力。以间隙方式固溶到Ｎｉ_{3< 关键词：}     

镍掺杂硅纳米线电子结构和光学性质的第一性原理研究

利用基于密度泛函理论的第一性原理计算,对镍掺杂硅纳米线的结构稳定性、电子与光学性质进行了研究.结果表明:Ni容易占据硅纳米线表面的替代位置.镍掺杂后的硅纳米线引入了杂质能级,杂质能级主要来源于Ni的3d电子的贡献.由于Ni的3d态和Si的3p态的耦合作用,使禁带宽度变窄.掺杂后的硅纳米线在低能区出现了一个较强的吸收峰,且吸收带出现宽化现象. 关键词： 硅纳米线 掺杂 电子结构 光学性质     

合金元素Zr韧化不同计量比Ni3Al合金的微观机制

利用正电子湮没技术（PAT）测量了不同化学计量比二元Ni3₃Al合金及不同Zr含 量Ni3₃Al合金的正电子寿命谱，并估算了合金基体和晶界缺陷处的自由电子密度.结果表明，二元Ni77₇₇Al23₂₃合金的基体和缺陷态的自由电子密度都比二元 Ni74₇₄Al26₂₆合金的高. Ni3₃Al合金晶界缺陷处开空间大于Ni空位或Al空位的开空间，晶界缺 陷处的自 关键词： 3Al合金')" href="#">Ni3₃Al合金 微观机制 自由电子密度 韧化     

3d过渡金属在NiAl中的占位及对键合性质的影响

通过赝势平面波方法系统地研究了3d过渡金属元素在B2-NiAl中的占位以及对键合性质的影响.通过形成能得出Sc,Ti,V 和Zn元素优先取代NiAl中的Al位,而Cr,Mn,Fe,Co和Cu优先取代Ni位.通过分析晶格常数变化量、电荷聚居数、交叠聚居数以及价电荷密度分布, 讨论了晶格畸变和键合性质的变化.结果表明: 取代Al的Sc,Ti,V和Zn元素掺杂使NiAl中晶格发生畸变,这对NiAl键合性质的变化起着重要作用,这些掺杂元素与第一近邻Ni原子产生强烈的排斥作用,形成反键,同时它们之间发生较大的电荷转 关键词： NiAl金属间化合物 3d过渡金属 第一性原理 键合性质