N掺杂对γ-Ni/γ'-Ni3Al相界影响：第一原理研究

"N在γ-Ni/γ′-Ni3Al相界区域的占位趋势与脆化作用 (2012年)" 本文是工程技术领域的论文，主要探讨了痕量元素氮（N）在γ-Ni/γ′-Ni3Al相界区域的行为及其对相界断裂强度的影响。研究采用第一原理赝势平面波方法，这是一种基于量子力学的计算方法，用于模拟材料的电子结构和性质。这种方法可以精确预测材料中原子的行为和反应，对于理解微观结构与宏观性能之间的关系至关重要。 研究表明，氮以气态存在时不容易掺杂到Ni/Ni3Al相界，但以固态形式存在时，氮很容易进入相界。在相界中，氮能够稳定地存在，并且在八面体间隙中的掺杂比替换基体原子更加稳定，具有更高的形成能力和结构稳定性。这表明氮更倾向于在特定位置掺杂，而非随机分布。 氮的掺杂对Ni/Ni3Al相界的断裂强度有显著的削弱效果，尤其在间隙位掺杂时更为明显。这意味着氮的存在可能导致材料的脆性增加，这对于合金的机械性能是一个负面因素。通过电子结构分析，研究人员发现，当氮以置换方式掺杂时，相界断裂强度的降低可以归因于弗伦克尔缺陷导致的掺杂相界层间电子相互作用减弱。弗伦克尔缺陷是指一个原子从其正常位置离开，留下一个空位，这种缺陷会破坏材料的连续性。 而在间隙位掺杂的情况下，除了基体原子间电子相互作用因为掺杂原子与基体原子间的强相互作用而减弱之外，晶格畸变导致的局部弹性应变能增加也是造成相界强度下降的重要原因。晶格畸变会改变材料的内部应力状态，进而影响其机械性能。 这篇论文揭示了氮在镍基高温合金相界处的行为规律，以及这种行为如何影响合金的断裂特性。这些发现对于理解和改善镍基合金的耐高温性能、抗疲劳性和延展性等关键属性具有重要意义，为未来合金设计提供了理论依据。同时，这项研究也为处理和控制材料中的杂质元素提供了新的视角，有助于优化材料的加工工艺和服役条件。