镍基高温合金、APB能量、屈服强度异常YSA、DFT

1 案例背景

以镍（Ni）为基加入其它元素组成的合金为镍基合金。Ni基高温合金强度取决于γ(fcc)基体（Ni固溶体）中有序的γ‘相（L12，A3B构型）。高温下，γ‘析出物表现出屈服强度异常（Yield strength anomaly，YSA），使得Ni基合金能够保持其强度，因此镍基合金在航空、航天、能源、电子等等领域有广泛应用。本案例中，作者建立了EDNNB（environment dependent nearest neighbor bond）模型，利用第一性原理计算分析Ni基多组分γ‘相体系的APB(111)能量

2 建模与计算方法

作者通过MedeA Environment中InfoMaticA数据库搜索到二元L1₂结构，采用Surface Builder切面得到L1₂体系（111）面，随后采用Supercell Builder功能创建特定的超胞体系，之后用Substitution search功能生成特定的伪二元Ni₃Al_1-xX体系（Ni₃Y、Ni₃X_0.5Y_0.5、Ni₃Y）。作者采用MedeA-VASP模块中GGA-PBE方法，开自旋极化，优化伪二元Ni₃Al_1-xX_x(X=Ta and Ti等)体系并计算能量。

3 结果与讨论

3.1 结构分析

作者通过MedeA 中Supercell Builder创建了二元L1₂超胞结构，随后用定位取代掺杂方法创建伪二元Ni₃Al_1-xX_x体系，见图1。从图中可知，超胞体系由9个相同且排列紧密的层组成，每层有3个Ni位点、1个Al或者X或Y位点；取代掺杂在第一层和第九层交替进行；far-field成分影响研究，在第二至第八层，用合金元素X或Y取代Al亚晶格。

 图1 APB(111)超胞结构

3.2 APB能量分析

3.2.1 合金化对Γ_XYNiNi的影响

为更深入分析APB(111)能量，作者通过MedeA VASP模块优化伪二元Ni₃Al_1-xX_x体系并计算能量Γ_XYNiNi。APB(111)中合金（X=Ta, Ti, Nb, W, Mo, Ni, Cr）与距离关系对Γ（能量）影响见图2。从图中可知，除了Ni在Al-sublattice掺杂外，其余合金元素掺杂均增加Γ_AlAlNiNi。

图2 Al-sublattice中ΓAlAlNiNi

Far-field成分对APB能量影响见图3，当合金元素位于层错邻近层时，Γ显著下降，特别是对于W和Mo掺杂，APB(111)能量显著降低约300MJ/M2 。从图3 c-e中可知，Γ⁰_TiCrNiNi>Γ⁰_AlTiNiNi>Γ⁰_AlAlNiNi表面少量Ti和Cr掺杂会影响APB总能量；除Ti（η_Ti=17.04）掺杂外，其余合金元素强度系数ηx均为负值，并呈现如下趋势：η_Ni>η_Nb>η_w>η_M0。因此，若提高析出相强度，则不能在APB(111)面上产生Ti-Cr。

图3 far-field成分不同体系各能量

3.2.2 多组分体系的APB(111)能量

作者进一步分析伪二元Ni₃Al_1-xX_x体系APB(111)能量，采用间接论证方法评估多组分工业合金体系γ_APB(111)值，见图4。从图中可知，disk alloys（图4前6种合金）的γ_APB(111)值高于blade alloys。在disk alloys中，Al-Ti和Ti-Ti是破坏γ_APB(111)值主要原因；在blade alloys中，Al-Al与Al-Ta violations贡献了约70%γ_APB(111) ；Ta-Ta相互作用对总γ_APB(111)贡献较小。

4 总结与展望

本案例中作者建立了包含远场成分影响的EDNNB模型，通过DFT方法预测Ni基高温合金中多组分γ‘相体系的APB(111)能量。研究发现除Ni外，其余元素均增加Γ_AlAlNiNi；W和Mo元素加入使Γ_TaTaNiNi减小，其它元素加入则使其略微增大。利用EDNNB模型预测了工业合金APB(111)能量，disk alloys的APB能量高于blade alloys。本案例提出的新方法为研究多组分L1₂构型层错能量开辟新途径，有助于进一步研究更多高温合金材料。

参考文献：

Intermetallics 132 (2021) 107124

使用MedeA模块：

• MedeA Environment

• MedeA VASP