通过第一性原理计算，深入研究了由空位稳定性调控的Ni3Al/Ni界面性能

《Computational Materials Science》：Insight into the performance of Ni 3Al/Ni interface regulated by vacancies stability via first-principles calculation

Ni基超合金中γ'相与基体γ相界面受空位缺陷影响显著，Al端界面Ni3Al-Ni2空位形成能高达10.49 J/m2，破坏Ni-d与Al-p轨道杂化，导致界面结合能下降79.2%，同时该界面扩散能垒仅0.28–1.48 eV，成为空位快速迁移的短路通道。

　　

洪小龙|秦志伟|王继龙|王秉志|王景宽|丁志杰|李鹏|董洪刚

大连工业大学材料科学与工程学院，中国大连116024

摘要

镍基超合金的性能演变主要受空位缺陷的生成和迁移行为控制。本研究重点关注了关键强化相γ'-Ni₃Al与基体γ-Ni之间的界面。通过第一性原理计算，在微观层面上系统研究了不同位置的空位对Ni₃Al/Ni界面稳定性和力学性能的影响。结果表明，空位的影响具有强烈的位置依赖性和端点敏感性。界面键合程度取决于Ni-d轨道和Al-p轨道的杂化作用，而Al终止面上的Ni₃Al-Ni2空位会严重破坏这种杂化作用，导致结合强度下降79.2%，拉伸强度显著减弱。Al终止面为空位提供了极低的扩散能垒（0.28–1.48 eV），远低于Ni终止面（1.62–2.45 eV），表明其成为空位快速迁移的短路通道。这项工作对下一代镍基超合金的制备和加工领域具有重要意义，因为它从界面稳定性的角度提供了新的见解，有助于探讨空位对Ni₃Al/Ni界面性能的影响。

引言

目前，任何领域的进步都依赖于开发具有非传统性能组合的新材料，尤其是在航空航天等极端服役环境中的应用[1]、[2]、[3]、[4]。作为航空发动机的关键部件，涡轮盘具有恶劣的服役条件、多种失效原因以及复杂的结构需要强化[5]、[6]、[7]、[8]。因此，对涡轮盘的制造材料和工艺提出了严格要求。作为下一代先进航空发动机涡轮盘的首选结构材料，粉末冶金镍基超合金（FGH99）具有优异的微观结构稳定性和高工作温度。然而，FGH99超合金中γ'相的高含量导致其熔焊性能较差，且容易产生热裂纹等缺陷[9]、[10]、[11]。另一方面，由于涡轮盘腔体的复杂性以及焊接后的不可加工性，扩散键合已成为航空发动机涡轮盘无余量成形的关键环节[12]、[13]、[14]、[15]。键合界面是整个接头的薄弱区域。在热机械耦合的服役环境中，接头中会生成大量空位和自间隙原子[16]、[17]。这些主要缺陷的积累会引发接头的次级缺陷，包括膨胀、硬化、非晶化和脆化[18]、[19]、[20]。其中，空位介导的扩散是高温下微观结构演变的基本控制过程，因为它决定了相变、沉淀物粗化和蠕变变形所需的原子尺度质量传输。具体而言，临界γ/γ’界面处空位的迁移率和浓度直接决定了元素互扩散、位错攀移和界面迁移的动力学，从而决定了超合金的高温稳定性和寿命。

第一性原理计算已成为现代科学研究的基石，主要是因为它们能够揭示原子和电子水平界面结构的复杂细节[21]。这种计算方法为深入研究界面稳定性及其他相关现象提供了有力手段，弥补了传统实验方法无法达到原子分辨率的局限性[22]、[23]。基于第一性原理，与镍基超合金高温力学性能密切相关的γ/γ'界面缺陷已得到广泛研究[24]、[25]。刘等人[26]通过开发高效的机器学习势能并将其应用于原子模拟，系统阐明了合金元素对Ni₃Al合金中空位缺陷能量和动力学行为的影响机制。郭等人[27]对Ta2AlC相中的空位缺陷进行了第一性原理计算，结果表明空位会降低Ta2AlC相的刚性，同时提高塑性和降低热导率。对Al/TiC界面及空位的结构力学性能的研究发现，C空位使Al/TiC界面变脆，而Ti空位则提高了其延展性[28]。基于密度泛函理论（DFT），李等人[29]研究了不同空位下的Zr/SiC界面结构和电子性质，发现SiC涂层界面和内部空位的形成能高于体相Zr中的空位。除了Zr2和Zr3空位外，其他空位的引入会降低Zr与SiC之间的键合强度，从而降低Zr/SiC界面的稳定性。因此，材料服役过程中产生的空位对界面性能有显著影响，但在原子尺度上仔细阐明点缺陷（尤其是空位缺陷）对界面性能的影响机制仍具有挑战性。

γ'-Ni₃Al是镍基超合金中的主要相[30]、[31]、[32]、[33]。本研究以Ni₃Al/Ni界面为研究对象，通过DFT系统研究了不同位置空位对不同终止方式下的Ni₃Al/Ni界面的原子结构、电子性质、界面分离功和拉伸性能的影响。揭示了空位缺陷影响Ni₃Al/Ni界面稳定性的微观机制，为提高恶劣服役环境下的接头性能提供了有力的理论支持，并对下一代镍基超合金的开发具有重要意义。

计算方法

本研究采用Cambridge Sequential Total Energy Package (CASTEP)软件包[34]进行所有计算，基于DFT的平面波方法和赝势来求解系统的电子波函数。通过超软赝势方法[35]研究了各种离子核与价态之间的相互作用。对K点的收敛性和截止能量E_cut进行了测试。Ni₃Al和Ni的系统能量值趋于稳定

Ni₃Al/Ni界面中的空位

图1展示了FGH99超合金中Ni₃Al/Ni界面的原子尺度晶格结构，该结构是通过透射电子显微镜（TEM，JEOL JEM-2100F，200 kV）和高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）获得的，HRTEM样品是通过聚焦离子束切割（FIB，Helios G4 UX）制备的。FGH99超合金的化学成分见表S5。根据单个原子列的强度线谱，可以观察到空位的存在

结论

本研究通过第一性原理计算揭示了空位缺陷对Ni₃Al/Ni界面稳定性和力学性能的影响机制。Ni终止面上的空位形成能（6.78–7.14 J/m²）相似，而Al终止面上的空位形成能（6.93–10.49 J/m²）有显著差异。Ni₃Al-Ni2空位的形成能高达10.49 J/m²，表明该位置上的Ni₃Al键合对界面性能有重要影响

CRediT作者贡献声明

洪小龙：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草稿，验证，方法论，研究，形式分析，概念化。秦志伟：验证，形式分析，数据管理，概念化。王继龙：方法论，研究，形式分析。王秉志：方法论，研究，形式分析。王景宽：验证，研究，数据管理，概念化。丁志杰：软件，方法论，研究，概念化。李鹏：

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号：52575361、52275314、52504402）的财政支持。