CN107422095A - 一种影响镍合金tcp 形成元素分配行为的表征方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种表征方法，研究合金成分(Ru，Co等)对TCP相形成元素在界面附近分配行为的影响。涉及合金种类、含量、排列紧密程度，以及不同原子的协同影响。本发明采用基于密度泛函理论的第一性原理方法，建立三维超晶胞界面模型，用Ru、Co等合金元素替换界面处的Ni和Al原子，改变替换原子的数量，排列紧密程度从而综合考虑合金元素的影响。用不同种类的合金元素同时替换界面处原子，研究合金元素之间可能存在的协同作用。

Description

一种影响镍合金TCP形成元素分配行为的表征方法
技术领域：
本发明涉及合金成分对镍基合金中TCP相形成元素在γ和γ'相界面处分配行为的影响领域，基于第一性原理的计算方法。
背景技术：
镍基单晶高温合金具有优良的高温性能，是目前制造先进航空发动机和燃气轮机叶片的关键材料。在合金中添加W、Re、Cr、Mo等难熔元素能明显起到强化作用。但是，难熔元素大量偏聚在基体γ相中会导致析出TCP相。TCP相作为脆性相，严重影响了合金的塑性韧性以及使用寿命。
实验表明，Ru、Co等一些其他合金化元素可以改变TCP相形成元素在合金中的分配，使它们更多分布在γ'相中，从而有效抑制TCP不稳定相的形成。到目前为止，对合金元素分配行为的研究集中在实验上，主要是直接测量元素在两相中的分配，但是镍基高温合金中存在大量的γ/γ'相界，难熔元素在相界面上及其附近的分布和强化作用还很难从实验中获得。有研究者利用计算机模拟，通过将一个Ru原子掺杂在界面上，研究Ru对TCP相形成元素分配行为的影响，但没有综合考虑掺杂原子的含量，排列紧密程度，以及不同掺杂原子的协同影响。
发明内容：
鉴于现有技术存在的局限性，本发明提供一种表征方法，研究合金成分Ru，Co等对TCP相形成元素在界面附近分配行为的影响。涉及合金种类、含量、排列紧密程度，以及不同原子的协同影响。本发明采用基于密度泛函理论的第一性原理方法，建立三维超晶胞界面模型，用Ru、Co等合金元素替换界面处的Ni和Al原子，改变替换原子的数量，排列紧密程度从而综合考虑合金元素的影响。用不同种类的合金元素同时替换界面处原子，研究合金元素之间可能存在的协同作用。
一种影响镍合金TCP形成元素分配行为的表征方法，所述表征方法有如下步骤：
步骤一，建立2×2×3超晶胞模型，上面一半区域为Ni3Al晶体结构，下面一半区域为Ni单质晶体结构，分别代表了理想的增强相γ'和基体相γ。由于两相的晶格常数接近，所以可以设定γ'相沿特有的取向关系从γ相中析出形成完整的共格界面。
步骤二，将γ'相中的一个Ni原子分别用W、Re、Cr或Mo替换，代表TCP相形成元素分布在γ'相中；然后将γ相中的一个Ni原子分别用W、Re、Cr或Mo替换，此时γ'相中恢复为Ni原子，代表TCP相形成元素分布在γ相中；分别计算这两种情况下的形成能。
步骤三，计算没有别的合金元素掺杂的情况下，W、Re、Cr和Mo在γ相和γ'相之间的分配系数。
根据统计热力学基本观点，在给定的温度T下晶体点缺陷的平衡浓度符合Arrhenius关系：Cd＝A exp(-Ef/kT)，其中Ef是点缺陷的形成能，A是与材料有关的常数，k为玻尔兹曼常数。可知点缺陷形成能越大平衡浓度越低。基于此定义元素在两相中的的分配系数为：Kγ/γ’＝Cd-γ/Cd-γ’＝exp[(Efγ’-Efγ)/kT]。其中Cd-γ为元素在γ相中的平衡浓度，而Cd-γ’是在γ'中的平衡浓度。Efγ’是元素替换γ'相中Ni原子的形成能，而Efγ则是替换γ相中Ni原子的形成能。
基于以上定义的分配系数，当Kγ/γ’＞1时，说明元素趋向于分配到γ相中；当Kγ/γ’＜1时，说明元素首先选择进入γ'相。
步骤四，用一种可能影响TCP相形成元素分配的合金原子替代共格界面体系界面处的Ni或Al原子，重复二、三步骤，计算W、Re、Cr和Mo在两相中的形成能和分配系数；与掺杂前的元素分配系数进行对比，研究这种元素是否影响TCP相形成元素的分布；改变替换合金原子的个数，计算形成能和分配系数，研究合金原子的浓度对元素分配行为的影响；形成能越低，体系越容易形成。分配系数变小，则TCP相形成元素与之前相比更容易分配到γ'相中，若分配系数小于1，说明元素趋向于分配到γ'相中。
步骤五，改变可能影响TCP相形成元素分配行为的合金原子在界面上的排布的紧密程度，重新计算W、Re、Cr和Mo在两相中的形成能和分配系数；研究合金原子排布的松散和紧密对分配行为产生的影响；如果合金原子排布紧密时，分配系数更小，则说明在界面处排布紧密的合金原子对TCP形成元素向γ'相中转移的作用更明显，反之则排布松散的合金原子作用更显著。
步骤六，用两种或更多种类的合金原子替换至两相界面上，计算W、Re、Cr和Mo在两相中的形成能以及分配系数，研究不同合金原子之间的协同作用。定义只掺杂一种合金原子的体系与未掺杂体系的分配系数之差分别△K1,△K2…△Kn。同时掺杂两种或以上合金原子的体系与未掺杂体系的分配系数之差为△K。若△K＞△K1+△K2+…+△Kn，说明同时掺杂对元素分配行为的作用大于每种元素单独掺杂的作用之和，可以混合共同作用。若△K＜△K1+△K2+…+△Kn，则说明同时掺杂对元素分配行为的作用小于每种元素单独掺杂的作用之和，设计合金时，应予以考虑。
发明与现有技术相比具有以下优点：
1、目前实验技术研究元素在界面附近的分布还存在困难。本发明基于第一性原理电子结构计算可以准确给出对应微观结构的能量学信息，精准表现界面处原子层面的变化对体系带来的影响。
2、模型简单易操作，可以通过简单的替换原子进行大量的对照实验。
3、综合考虑了可能对TCP相形成元素的分配产生影响的合金原子的含量，排布的紧密程度，以及它们之间的协同作用。
附图说明
图1为建立的2×2×3的超单胞计算模型
具体实施方式：
下面结合具体实施例，进一步阐述发明。应说明的是：以下实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案。一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
本发明所述的是研究合金成分对镍基合金中TCP形成元素分配行为影响的方法，我们以Co含量对Cr在镍基合金相界分配行为的影响为例具体阐述该方法：
步骤一，建立2×2×3的超晶胞模型，上面区域均为Ni3Al结构，下面区域均为Ni结构的对称模型，分别代表了理想的γ'和γ，两相完全共格。
步骤二，将图1中编号“2”的Ni原子用Cr替换，代表合金元素分布在γ'相。然后将编号“3”的Ni原子用Cr替换，此时“2”处恢复为Ni原子，代表合金元素分布在γ相。分别计算这两种情况下的形成能。
步骤三，计算Cr在γ相和γ'相之间的分配系数。
步骤四，用Co原子替代共格界面体系中心编号“1”的Ni原子，重复第二、三步，计算Cr在两相中的形成能和分配系数。与未掺杂Co的Cr原子分配系数进行比较，研究Co对Cr分配行为的影响。用Co原子替代编号“1”和“4”的两个Ni原子，计算W、Re、Cr和Mo在两相中的形成能和分配系数。与掺杂一个Co原子的分配系数进行比较，研究Co含量增加对Cr原子分配行为的影响。
步骤五，用Co原子替代编号“6”的两个Al原子，计算Cr在两相中的形成能和分配系数，与替换“1”“4”原子的分配系数比较，研究合金原子排列紧密程度对TCP相形成元素分配行为的影响。
步骤六，用Co原子替代编号“1”的Ni原子，Ru原子替代编号“4”的Ni原子，重复计算分配系数，比较△K与△K1+△K2的大小，研究Co和Ru原子的协同作用。

Claims (2)

1.一种影响镍合金TCP形成元素分配行为的表征方法，其特征在于，所述表征方法有如下步骤：
步骤一，建立2×2×3超晶胞模型，上面一半区域为Ni3Al晶体结构，下面一半区域为Ni单质晶体结构，分别代表了理想的增强相γ'和基体相γ，两相共格；
步骤二，将γ'相中的一个Ni原子分别用W、Re、Cr或Mo替换，代表TCP相形成元素分布在γ'相中；然后将γ相中的一个Ni原子分别用W、Re、Cr或Mo替换，此时γ'相中恢复为Ni原子，代表TCP相形成元素分布在γ相中；分别计算这两种情况下的形成能；
步骤三，计算没有别的合金元素掺杂的情况下，W、Re、Cr和Mo在γ相和γ'相之间的分配系数；
步骤四，用一种可能影响TCP相形成元素分配的合金原子替代共格界面体系界面处的Ni或Al原子，重复二、三步骤，计算W、Re、Cr和Mo在两相中的形成能和分配系数；与掺杂前的元素分配系数进行对比，研究这种元素是否影响TCP相形成元素的分布；改变替换合金原子的个数，计算形成能和分配系数，研究合金原子的浓度对元素分配行为的影响；
步骤五，改变可能影响TCP相形成元素分配行为的合金原子在界面上的排布的紧密程度，重新计算W、Re、Cr和Mo在两相中的形成能和分配系数；研究合金原子排布的松散和紧密对分配行为产生的影响；
步骤六，用两种或更多种类的合金原子替换至两相界面上，计算W、Re、Cr和Mo在两相中的形成能以及分配系数，研究不同合金原子之间的协同作用。
2.如权利要求1所述的一种影响镍合金TCP形成元素分配行为的表征方法，其特征在于，综合考虑了可能对TCP相形成元素的分配产生影响的合金原子的含量，排布的紧密程度，以及它们之间的协同作用。
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