Al對(duì)Ni-Cr2O3界面結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能影響的第一性原理研究.pdf

1、鎳基高溫合金由于其優(yōu)異的高溫抗氧化性能，成為現(xiàn)代國(guó)防和工業(yè)生產(chǎn)中的重要材料，被廣泛應(yīng)用于航空航天、石油化工、電力、海水作業(yè)等領(lǐng)域。目前，大量實(shí)驗(yàn)研究顯示在高溫條件下鎳基合金表面會(huì)生成一種復(fù)雜的多層氧化膜結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)基體合金的抗氧化保護(hù)。并且多種表征手段證實(shí)該復(fù)雜氧化膜結(jié)構(gòu)中含有NiO、Cr2O3、Al2O3和多種尖晶石結(jié)構(gòu)氧化物。但是，至今為止關(guān)于這種多層氧化膜結(jié)構(gòu)的微觀生長(zhǎng)機(jī)理及分層過(guò)程的研究仍十分匱乏。
　　鑒于大量已開(kāi)展

2、的實(shí)驗(yàn)研究，本論文將采用第一性原理研究方法，從原子層次揭示實(shí)驗(yàn)中鎳基合金表面多層氧化膜的形成過(guò)程，并且對(duì)該結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能等方面進(jìn)行綜合分析。首先，我們通過(guò)分析原子結(jié)構(gòu)和結(jié)合性能，對(duì)不同Ni(111)/Cr2O3(0001)界面模型的多種性能進(jìn)行對(duì)比，選取一種相對(duì)穩(wěn)定的基體/氧化物界面結(jié)構(gòu);然后，以其為平臺(tái)研究了鎳基合金中Al原子在界面處的擴(kuò)散途徑。研究結(jié)果證實(shí)，界面附近的合金元素Al原子將穿過(guò)Ni/Cr2O3界面進(jìn)入Cr2O3內(nèi)部，通過(guò)

3、置換Cr原子的方式與O原子結(jié)合成鍵，形成致密的Al2O3氧化物，該結(jié)論表明實(shí)驗(yàn)中Al2O3氧化物層的出現(xiàn)是合金內(nèi)部Al原子擴(kuò)散、偏聚的結(jié)果。并且研究證實(shí)隨著Al原子向界面層的偏聚，最終將形成穩(wěn)定的Ni/Al2O3/Cr2O3多層氧化膜結(jié)構(gòu)，即詮釋了Ni基合金氧化膜結(jié)構(gòu)中外層為Cr2O3，而內(nèi)層形成Al2O3層的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多層氧化膜結(jié)構(gòu)形成及生長(zhǎng)機(jī)理的微觀電子闡釋。正是由于Al原子擴(kuò)散引發(fā)的這種擇優(yōu)氧化，形成了致密的多層氧化膜結(jié)構(gòu)

4、，從而阻止氧原子進(jìn)一步向基體內(nèi)部擴(kuò)散，最終實(shí)現(xiàn)Ni基合金優(yōu)異的高溫抗氧化性能。
　　此外，表面氧化膜與基體材料之間的界面結(jié)合能力與合金的抗氧化性能和使用壽命密切相關(guān)。因此本論文還采用第一性原理方法，模擬并討論了單軸拉應(yīng)力對(duì)多種不同位向關(guān)系金屬/氧化物界面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響，試圖從原子和電子角度揭示實(shí)際外力環(huán)境作用下鎳基合金表面氧化膜的結(jié)合力和失效機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)位向關(guān)系為[1-10]∥[11-20]的Ni/Cr2O3界面拉伸時(shí)，變形首先