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Ni基超合金中铼含量对力学性能及变形机制的影响研究，采用4,860,000原子的大规模分子动力学模拟，揭示铼含量（2.0、4.0、6.0 at.%）增加提升弹性模量至约248 GPa，促进平面位错环形成并降低局部位错密度至9.97×1016 m-2，同时通过降低堆垛层错能（约22.4%减少）增强均匀塑性变形能力。
霍文毅|宋恒旭|F.哈维尔·多明格斯-古铁雷斯|刘毅|金亨燮|蒋建青
南京林业大学机械与电气工程学院，中国南京210037
摘要
镍基超级合金在先进结构应用中至关重要，其中铼（Re）被证明是这些合金中最有效的强化元素之一。本研究通过在一个包含4,860,000个原子的系统上进行原子级纳米压痕模拟，探讨了铼含量（2.0%、4.0%和6.0%）对镍-铼固溶体中的位错动力学、应变分布和堆垛形态的影响。载荷-位移曲线显示，随着铼含量的增加，弹性模量也随之提高。位错分析表明，铼含量的增加促进了棱柱形位错环的形成，并降低了局部位错密度，从Ni98Re2合金的6.29×1017 m-2降低到Ni94Re6合金的9.97×1016 m-2（在最大压痕深度处）。此外，通过多项式拟合进行的定量分析揭示了铼对位错形成和演变的影响，而广义堆垛故障能量的结果表明铼降低了堆垛故障能量。这些发现突显了铼在固溶体强化和均匀塑性流动中的作用，为优化极端环境下的镍基超级合金提供了原子级见解。
引言
镍基超级合金因其优异的性能（如机械强度、抗蠕变性以及抗氧化和抗腐蚀性）而在航空航天涡轮叶片和燃气轮机发动机等高要求应用中至关重要[1]、[2]、[3]。这些合金由γ-Ni基体和γ′-Ni3Al沉淀相组成，其卓越的强度和抗蠕变性源自L12有序的γ′相以及多种合金元素的复杂组合（多达十种[4]）。在这些合金元素中，铼（Re）在提高机械性能方面起着关键作用[5]、[6]、[7]、[8]。虽然现有的商用超级合金中铼的含量约为6 wt.%（约2 at.%）[9]，但已有研究开始探索更高铼含量对性能的影响，主要通过固溶体强化和位错行为改变等机制[10]、[11]。值得注意的是，尽管γ′相决定了高温下的性能，但在中温和室温下，γ基体在适应变形方面起着更重要的作用。此外，随着航空航天和发电领域对更高效率和耐用性的需求增加，需要更深入地理解铼在原子层面如何增强机械性能。尽管镍基超级合金被广泛使用，但铼在其强化作用背后的原子机制仍不完全清楚。实验研究表明，铼通过富集界面[12]来阻碍位错运动，降低堆垛故障能量[13]以抑制位错攀移，并由于其低扩散系数而产生拖曳效应[14]。这些机制共同改善了机械性能，这一点通过透射电子显微镜等变形后表征技术得到了证实[12]、[13]、[14]。然而，高浓度铼在γ基体中调节位错动力学的确切作用，特别是在局部机械载荷下，仍不清楚。这限制了针对特定服役条件优化镍基超级合金成分的努力。
纳米压痕技术为在纳米尺度上探测机械性能和变形机制提供了强有力的方法，揭示了位错形核、传播和缺陷相互作用的细节[15]、[16]。然而，实验纳米压痕在实时直接观察原子级过程方面存在局限性，特别是对于快速演变的现象（如位错动力学[17]）。作为实验的补充，分子动力学（MD）模拟能够直接可视化和分析大系统中的原子级机制，捕捉到棱柱形位错环（PDL）形成和应变局部化等实验难以解析的细节[18]、[19]、[20]。尽管如此，纳米压痕的MD模拟仍存在固有的局限性，包括可能抑制热激活过程的高应变率、由于系统尺寸有限而产生的尺度效应，以及可能引入非物理约束的边界伪影。此外，虽然MD研究已经探讨了镍基合金中的纳米压痕现象，重点关注微观结构和压头效应[21]、[22]、[23]，但很少有研究系统地探讨不同铼含量对详细位错机制的影响。
为了解决这些问题，本研究采用了包含4,860,000个原子的大规模模型，以最小化边界效应并为位错演化提供足够的空间。在x和y方向上施加了周期性边界条件，同时通过冻结底层和恒温区域确保了稳定的支撑和热耗散。此外，选择了适中的压痕速度以更好地近似准静态条件。本研究使用EAM势能进行了MD模拟，以探讨铼含量（2.0%、4.0%和6.0%）对镍-铼合金在纳米压痕过程中的机械行为的影响。具体目标是量化铼含量增加对机械性能的改善及其对位错行为（如位错密度、PDL形成和特定类型位错）的影响。
方法
使用开源代码软件Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator (LAMMPS) [24]来模拟不同铼含量（2.0 at.%、4.0 at.%和6.0 at.%）的镍-铼合金的纳米压痕动力学。压痕方向选择沿着[111]晶向，以捕捉面心立方（FCC）金属中这一方向的特性变形特征。
载荷-位移曲线
图2中的载荷-位移曲线显示了不同铼含量（Ni98Re2、Ni96Re4和Ni94Re6合金）的机械响应。随着深度的增加，载荷逐渐增大，导致曲线变陡，表明从弹性变形过渡到塑性变形。这种行为表明合金基体中位错的形核和传播已经开始。
铼对位错密度的影响
图8中，位错密度是根据OVITO中的位错分析提取的总位错线长度估算的，并通过塑性变形区域的体积进行了归一化。变形区域被近似为一个半径为的半球体，该半径是根据沿压痕方向的最深位错段位置确定的[39]。位错密度ρ通过以下关系计算：其中是总位错线长度，是体积
结论
本研究通过原子级纳米压痕模拟，探讨了铼含量（2.0%、4.0%和6.0%）对镍基超级合金的机械性能和变形机制的影响。结果表明，通过促进棱柱形位错环的形成，铼（> 4 at.%）优化了位错相互作用，减少了缺陷积累并促进了塑性流动。铼诱导的堆垛故障能量降低稳定了Shockley部分
CRediT作者贡献声明
金亨燮：撰写 – 审稿与编辑。刘毅：撰写 – 审稿与编辑，软件开发。F.哈维尔·多明格斯-古铁雷斯：撰写 – 审稿与编辑，软件开发。宋恒旭：撰写 – 审稿与编辑，软件开发。蒋建青：撰写 – 审稿与编辑。霍文毅：撰写 – 审稿与编辑，原始草稿撰写，可视化，监督，软件开发，方法论设计，实验设计，概念构思
数据可用性
数据可应要求提供。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所报告工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了中国江苏省自然科学基金（BK20220428）、欧盟Horizon 2020研究与创新计划（项目协议号857470）、欧洲区域发展基金通过波兰科学基金会国际研究议程PLUS计划（MABPLUS/2018/8）、波兰科学与高等教育部（支持在Horizon 2020下建立的卓越中心的活动，MEiN/2023/DIR/3795）以及国家的支持
