一种计算合金化元素在镍基单晶高温合金双相界面附近层浓度的方法技术

本发明专利技术公开了一种计算合金化元素在镍基单晶高温合金双相界面附近层浓度的方法，包括步骤：采用(002)γ||(001)γ'共格界面取向堆积构成γ/γ'界面体系模型并确定合金化元素在γ/γ'界面附近每一原子层的占位概率；提出合金化元素所在层层能量的计算模型；计算合金化元素在γ/γ'界面体系置换前后的层置换能；计算合金化元素在某一原子层的层浓度，评价合金化元素γ/γ'的分配行为。该方法考虑了界面对合金化元素分配行为的影响，并缩小范围，细致地研究合金化元素在界面附近某一原子层的浓度，可以直观体现合金化元素在纯净γ/γ'界面体系以及含有其他掺杂元素γ/γ'界面体系中的分配行为。中的分配行为。中的分配行为。

【技术实现步骤摘要】
一种计算合金化元素在镍基单晶高温合金双相界面附近层浓度的方法


[0001]本专利技术涉及镍基单晶高温合金领域，尤其涉及一种计算合金化元素在镍基单晶高温合金双相界面附近层浓度的方法。

技术介绍

[0002]镍基单晶高温合金由于具有优异的高温力学性能和抗腐蚀、抗氧化性能，因此被广泛应用于航空发动机和工业燃气轮机涡轮叶片中。镍基单晶高温合金中含有体积分数约70％的立方状γ'相,这些γ'相以共格方式从γ基体中析出,高体积分数的γ'相能够抑制γ相中的位错滑移到γ'相中以起到提高合金高温强度的作用；除此之外，由于γ/γ'是共格界面，存在共格应力，易产生界面位错网络，有利于提高合金的抗蠕变能力，同时共格应力也会使得界面附近溶质原子的重新分布。针对蠕变过程中γ/γ'相结构和位错结构演化等方面的研究也表明高温低应力蠕变过程中形成的筏排化结构以及γ/γ'界面位错网络对合金的蠕变性能起着至关重要的作用。所以，γ/γ
′
双相界面的微观结构与局部溶质元素分布直接决定了界面的稳定性及其强度，进而对合金力学行为有着显著的影响。元素在γ/γ'两相间的分配行为能显著影响高温合金的蠕变性能和组织稳定性，例如：γ相难溶元素(Re，Mo，W，Cr)的含量增多，γ/γ'相界面强化程度增加，从而提高了单晶高温合金的蠕变性能，但当这些元素含量过高时会促进TCP相的生成，降低高温合金的服役性能。同时，合金中元素间的相互作用也会影响合金元素的分配行为，例如，Re元素的加入可能抑制其他合金化元素扩散到γ'相，降低其他元素的分配系数；Mo的加入可能增强了Re在γ基体中的固溶度，而Ru的加入则降低了Re在γ基体中的固溶度。对于合金化元素在γ/γ'界面分布的实验研究主要采用三维原子探针，且证实了Re、Cr、W等多种合金化元素会存在于γ/γ'界面处，但是采用实验的方法研究合金化元素的分配行为，并不能从微观角度解释其机理，而第一性原理计算是在原子尺度上研究材料本质特性的有力工具，具有较高的可靠性和准确性，所以目前也有较多的文献致力于通过第一性原理计算研究元素的分配行为，但是在这些研究方法中，只是单纯将γ/γ'相界面分开，通过将合金化元素分布置换在γ'相和γ相中，求得各自在两相中的浓度比，再依此说明元素是更容易固溶在γ相还是更易固溶在γ'相中。当考虑到相界面的影响时，这种模型就难以说明相界面对元素分配行为的微观影响规律与机理。

技术实现思路

[0003]目前计算合金化元素在γ/γ'界面体系的分配行为，都是以忽略界面的影响为前提，通过简单的计算合金元素在两单相中的浓度得出分配系数，无法说明界面对元素分配行为的影响。针对这个问题，本专利技术提出可以用于分析合金化元素通过γ/γ'相界面由γ'相到γ相时，原子在每一层浓度变化的情况，并从单合金化原子置换在纯净γ/γ'界面时的层浓度变化引申到含掺杂元素的γ/γ'界面的情况。具体技术方案如下：
[0004]一种计算合金化元素在镍基单晶高温合金双相界面附近层浓度的方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0005]第一步：采用(002)γ||(001)γ'共格界面取向堆积而成γ/γ'界面体系模型确定合金化元素在γ/γ'界面附近每一原子层的占位概率；
[0006]第二步：提出合金化元素所在层层能量的计算模型；
[0007]第三步：计算合金化元素在γ/γ'界面体系置换前后的层置换能；
[0008]第四步：计算合金化元素在某一原子层的层浓度，评价合金化元素γ/γ'的分配行为。
[0009]进一步地，所述第一步，所述合金化元素在γ/γ'界面附近每一原子层的占位概率包括两个方面：
[0010]1)合金化原子置换在纯净γ/γ'界面的占位概率：
[0011]在γ'相中，Al、Ni共存层，fc、cp的占位概率各为1/2；只含Ni层时，只有fc占位，概率为1；
[0012]在界面处为只含Ni层，fc占位概率为1；
[0013]在γ相中，靠近共格面的最近邻Ni原子层，由于不对称效应认为该层含fc、cp两种占位，占位概率各为1/2；其余γ相中的Ni原子层，只有fc占位，概率为1；
[0014]2)合金化元素置换在含掺杂元素的γ/γ'界面的占位概率：
[0015]合金化元素置换在含掺杂元素的界面体系时，考虑合金化元素的fc、cp两种占位以及合金化元素与掺杂元素距离。
[0016]进一步地，所述第二步，所述的层能量是上层能与下层能的平均值，其中所述上层能包含层内原子总能t与其上层原子相互作用能uI，所述下层能包含层内原子总能t与其上层原子相互作用能dI。
[0017]进一步地，所述第二步，计算合金化元素X置换在纯净γ/γ'界面体系后的层能量，将γ/γ'界面体系分为两个包含合金化原子所在层的非完整体系和和两个不包含合金化原子所在层的非完整体系E
u
和E
d
，则上层能下层能以及层能的计算公式如下：
[0018][0019][0020][0021]进一步地，所述第三步，所述合金化元素在γ/γ'界面体系置换前后的层置换能包括两个方面：
[0022]1)合金化元素X置换在纯净γ/γ'界面体系前后层置换ΔE：
[0023][0024]其中：μ
i
为i元素的化学势；E
t+I
为X置换前纯净界面体系该层的层能量；为X原子置换后所在层的层能；n为一层中所包含的原子数；
[0025]2)合金化元素X置换在含掺杂元素的γ/γ'界面前后层置换能ΔE：
[0026][0027]为X原子置换在含Y掺杂元素界面体系后所在层的层能，为X原子置换在含Y掺杂元素界面体系前该层的层能。
[0028]进一步地，所述第四步，合金化原子X在体系l层的层浓度为：
[0029][0030]其中，为在l层中j种的占位的概率；ΔE为X在该层的层置换形成能；k为玻尔兹曼常数，数值为1.3806488
×
10
‑
23
J/K；T为计算所用的温度，单位为K。
[0031]本专利技术与现有技术相比所具有的有益效果：
[0032](1)目前常用的计算合金化元素分配行为的方法是将γ/γ'相界面分开，通过将合金化元素分布置换在γ'相和γ相中，求得各自在单相的浓度，再以数值进行比较说明元素是更易固溶在γ相还是更易固溶在γ'相中。但是该方法忽视了共格界面的影响，本专利技术创新性地提出了层置换能与层浓度的概念，提供了一种计算合金化元素在镍基单晶高温合金双相界面附近层浓度的方法，引入了界面的影响，直观分析合金化原子在每一层浓度变化的情况。层浓度的计算曲线可以直观体现元素通过γ/γ'相界面由γ'相到γ相时，原子在每一层浓度变化的情况。
[0033](2)本专利技术建立模型时充分考虑了能够影响结构模型的重要参数包括真空层厚度、原子层数和驰豫制度等；同时对于计算方法中可能存在的一些误差也做了详细的分析，计算成本低、可靠性高。
附图说明
[0034]图1是本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种计算合金化元素在镍基单晶高温合金双相界面附近层浓度的方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步：采用(002)γ||(001)γ'共格界面取向堆积而成γ/γ'界面体系模型确定合金化元素在γ/γ'界面附近每一原子层的占位概率；第二步：提出合金化元素所在层层能量的计算模型；第三步：计算合金化元素在γ/γ'界面体系置换前后的层置换能；第四步：计算合金化元素在某一原子层的层浓度，评价合金化元素γ/γ'的分配行为。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一步，所述合金化元素在γ/γ'界面附近每一原子层的占位概率包括两个方面：1)合金化原子置换在纯净γ/γ'界面的占位概率：在γ'相中，Al、Ni共存层，fc、cp的占位概率各为1/2；只含Ni层时，只有fc占位，概率为1；在界面处为只含Ni层，fc占位概率为1；在γ相中，靠近共格面的最近邻Ni原子层，由于不对称效应认为该层含fc、cp两种占位，占位概率各为1/2；其余γ相中的Ni原子层，只有fc占位，概率为1；2)合金化元素置换在含掺杂元素的γ/γ'界面的占位概率：合金化元素置换在含掺杂元素的界面体系时，考虑合金化元素的fc、cp两种占位以及合金化元素与掺杂元素距离。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二步，所述的层能量是上层能与下层能的平均值，其中所述上层能包含层内原子总能t与其上层原子相互作用能uI，所述下层能包含层内原子总能t与其上层原子相互作用能...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵文月，李春龙，胡鹏，裴延玲，李树索，宫声凯，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：