稀土摻雜NiAl金屬間化合物結(jié)構(gòu)和性能的第一性原理研究.pdf

1、金屬間化合物NiAl因?yàn)榱己玫母邷貜?qiáng)度、較高的抗氧化性和抗腐蝕性,相對(duì)較低的密度以及較高的熔點(diǎn),可望成為工程應(yīng)用尤其是在航空航天領(lǐng)域中最有前途的材料。然而,室溫下斷裂韌性差和延性差限制了它的應(yīng)用。
　　合金化方法是一種簡(jiǎn)易有效的改性途徑,經(jīng)常被用于提高NiAl的性能。最常用的合金化元素為3d和4d過(guò)渡族元素,如Fe、Cr、V、Co、Mo、Ti、Ga和Mn等。合金化方法操作簡(jiǎn)單有效,只需選擇好所用的合金化元素或合金化元素組合,就可以

2、直接應(yīng)用于鑄造過(guò)程中。稀土元素是活性元素,適量的稀土合金化元素可以提高金屬的室溫壓縮延性。
　　本文研究了單稀土元素(Sc、Y、La、Ce、Nd、Pr、Pm、Sm、Eu)、不同Y含量以及稀土(La、Ce、Pr)與非稀土(Ti、V、Cr)協(xié)同作用三種情況對(duì)NiAl結(jié)構(gòu)和性能的影響。CASTEP模塊采用密度泛函理論的超軟贗勢(shì),利用贗勢(shì)平面波進(jìn)行量子力學(xué)第一性原理計(jì)算。所有模型均采用廣義梯度近似(GGA)構(gòu)造交換-關(guān)聯(lián)能泛函。本文通過(guò)C

3、ASTEP模塊計(jì)算了合金化NiAl各模型的晶格常數(shù)、彈性性質(zhì)以及電子結(jié)構(gòu)。
　　研究表明,單稀土元素Sc、La、Ce、Pr、Pm、Sm、Eu傾向于占據(jù)NiAl中Al的位置,而Y和Nd傾向于占據(jù)Ni的位置;Sc、Y、La、Nd、Pr、Pm的加入,在不同程度上降低了NiAl的硬度,其中La的加入對(duì)NiAl硬度的影響最大,Sm對(duì)NiAl的硬度幾乎沒(méi)有影響。所有的9種稀土元素均提高了NiAl的延性,其中只有Ni8Al7Ce和Ni8Al7E

4、u模型的硬度和延性相對(duì)于Ni8Al8而言同時(shí)提高。從NiAl摻雜Ce、Eu的態(tài)密度圖中可以看出,增加的兩個(gè)尖峰是Al的s、p軌道電子及Ni的d軌道電子分別與稀土雜化作用產(chǎn)生的。從差分電荷密度圖和鍵的布居值來(lái)看,Ni8Al7La離子性增強(qiáng),而共價(jià)性降低,因此Ni8Al7La延性較好而硬度較差。摻Ce以及摻Eu的模型中,Ni8Al7Ce離子性比Ni8Al7Eu強(qiáng),因而Ni8Al7Ce的延性要高于Ni8Al7Eu,而Ni8Al7Eu中共價(jià)性整

5、體要高于Ni8Al7Ce的共價(jià)性,因而,Ni8Al7Eu的硬度要略高。
　　Ni3YAl4、Ni7YAl8、Ni11YAl12和Ni15YAl16分別代表Y的含量分別為12.500at.％、6.250at.%、4.167at.%和3.125at.%的NiAl合金化模型。當(dāng)NiAl中Y的含量為3.125at.%時(shí),模型的硬度最接近NiAl,當(dāng)Y的含量為6.250at.%時(shí),模型具有最好的延性,從態(tài)密度圖中可以看出,與NiAl相比,前

6、者的雜化作用減弱而后者的雜化作用增強(qiáng)。Ni15YAl16中的Ni-Ni鍵和Al-Al的共價(jià)性比Ni7YAl8強(qiáng),而Ni7YAl8中Ni-Al鍵的共價(jià)性比Ni15YAl16強(qiáng),Y-Al鍵的離子性也較強(qiáng)。
　　在Ti、V、Cr與La的協(xié)同作用中,Cr與La的協(xié)同作用效果較好,使得NiAl的延性提高,硬度損失降低;在Ti、V、Cr與Ce的協(xié)同作用中,Cr與Ce的協(xié)同作用效果較好,使得NiAl的延性和硬度同時(shí)提高;在Ti、V、Cr與Pr的

7、協(xié)同作用中,Ti和Pr的作用效果較好,使得NiAl的延性提高,硬度得以保持。從Ni8Al6CrCe和Ni7TiAl7Pr的態(tài)密度圖中可以看出,兩種模型中均有贗能隙的存在,使得模型的共價(jià)鍵增強(qiáng),主要?dú)w因于Ce和Pr未飽和的4f軌道電子的貢獻(xiàn)。在鍵的布居值分析中,模型Ni8Al6CrCe中Ni-Al鍵、Al-Al鍵、Ni-Ni鍵的共價(jià)性相對(duì)于Ni8Al8而言有所增強(qiáng),模型Ni7TiAl7Pr中各Ni-Al鍵的共價(jià)性均增強(qiáng),Al-Al鍵的變化

8、較不明顯,Ni-Ni鍵共價(jià)性增強(qiáng)。在模型Ni8Al6CrCe中,協(xié)同合金化元素Cr和Ce均只與Ni成鍵,而Ni7TiAl7Pr中協(xié)同合金化元素Ti和Pr均分別與Ni和Al成鍵,其引入的離子鍵更多。因此,Ni7TiAl7Pr的離子性要強(qiáng)于Ni8Al6CrCe。
　　利用放電等離子燒結(jié)工藝和激光重熔工藝制備了NiAl、NiAl-1(摻入0.25at.%Ce的NiAl)、NiAl-2(摻入1.15at.%Ce的NiAl)三種試樣,并對(duì)三