镍基合金，层错能，变形机制，L12相

1 案例背景

高温结构材料对航空航天领域至关重要。在Ni基结构合金中，材料的强度极大程度上取决于有序的γ‘相（L1₂，A₃B型结构，如图1(a)所示）的体积分数、尺寸与强度。在变形过程上，γ‘相中会产生层错，而这些层错则影响着L1₂相的强度与屈服强度异常（Yield strength anomaly，YSA）。本案例采用第一性原理计算得到γ‘相的层错能与弹性常数，对二元L1₂相与伪二元Ni3₃Al_1-xC_x（C=Ta，Ti与Ni）合金的YSA进行预测。结果发现这些元素对层错能及弹性常数的影响是非单调的，其中Ta与Ni能促进Ni₃Al的交滑移过程，而Ni相反。L1₂相的屈服异常来自合金元素对层错能影响。

图1  (a) L12结构，(b)位错的两种分解形式

2 建模与计算方法

作者通过MedeA Environment中的InfoMaticA数据库搜索到二元L12结构。在Ni3Al基础上，采用Random substitutions生成伪二元Ni₃Al_1-xC_x（C=Ta，Ti与Ni）结构，其中x=0，0.25，0.5，0.75，1；Supercell Builder 将晶胞扩胞形成2×2×2的超胞。

MedeA VASP计算中使用GGA-PBE泛函，开自旋极化，优化二元与伪二元Ni3Al1-xCx结构并计算能量。采用MedeA deformation计算二元与伪二元Ni₃Al_1-xC_x结构的层错能；采用MedeA MT计算二元与伪二元Ni₃Al_1-xC_x结构的弹性常数。

3 结果与讨论

3.1 二元A₃B相

作者采用MedeA deformation与MedeA MT计算A₃B相的弹性常数与层错能，以及交滑移判断标准（Δω，ΔΕ）。当Δω，ΔΕ都大于0时，材料具有YSA特点。根据表1中数据，Ni₃Al与Cu₃Al表现出YSA，与实验结果相符。Ni₃Ge与Ni₃S的数据表明两种材料都没有YSA特点。

表1  二元A₃B相的层错能（γ_α1，γ_α0分别为{111}与{010}面上的APB能量，γ_S为{111}面的SISF能量），弹性常数，弹性各向异性指标，以及交滑移判断标准（Δω，ΔΕ）

3.2 合金元素对伪二元Ni3Al1-xCx的影响

3.2.1 弹性常数

作者采用MedeA MT模块计算Ni₃Al_1-xC_x结构的弹性常数，见图2。结果显示：根据Born稳定判据，所有伪二元结构在力学上都是稳定的。掺杂后，材料的各向异性指数降低，导致弹性各向异性对交滑移贡献减少。

图2  不同合金元素含量时Ni₃Al_1-xC_x的弹性常数

3.2.2层错能

作者采用MedeA Deformation计算Ni₃Al_1-xC_x结构的层错能，见图3。在纯Ni3Al中，γ_c>γ_α1>γ_α0>γ_s，与实验数据吻合。中等含量的Ta与Ti的加入导致层错能增加，并且，Ta对层错能影响极大；Ni对层错影响较小。

图3  不同合金元素含量时Ni₃Al_1-xC_x的层错能，其中γ_α1，γ_α0分别为{111}与{010}面上的APB能量，γ_c，γ_s分别为{111}面的CSF与SISF能量

3.2.3 变形模型与YSA

作者基于Ni₃Al_1-xC_x的弹性常数与层错能预测其位错分解的方式，见图4。对于Ta掺杂来说，Δω>0说明位错分解成两个相同的1/2 超位错；ΔΕ>0说明{111}到{010}面的交滑移在能量上是有利的，表现出YSA的特点；ΔΗ随浓度增加线形减小，也说明YSA容易发生。

图4  不同合金元素含量时Ni₃Al_1-xC_x的交滑移判断标准（Δω，ΔΕ），以及交滑移能垒ΔΗ

4 总结与展望

本案例中作者计算分析了不同合金元素及含量的Ni₃Al_1-xC_x结构，计算其弹性常数与层错能数据，分析了合金元素对合金交滑移的影响与屈服强度异常的现象，同时从层错能与各向异性参数的角度提出了合金设计的依据。快速计算出合金的层错能可以加速合金设计，如高通量方法或AIM模型。本研究为新型合金设计与材料计算指明方向，具有重要指导意义。

参考文献：

DOI: 10.1038/s41598-021-91594-5

使用MedeA模块：

• MedeA Environment

•MedeA VASP

• MedeA MT

详细案例原文档下载（点击此处）