镍基高温合金中原子相互作用与相稳定性的多尺度研究

发布时间：2021-04-24 14:53

　　镍基单晶高温合金是航空航天领域使用非常广泛且高温力学性能十分优异的结构材料。为了提升镍基单晶高温合金的力学性能,通常需要添加不同种类和含量的合金元素,比如,难熔金属元素Re和W的添加可以起到固溶强化镍基单晶高温合金γ-Ni相的作用,Al元素的加入可以在γ-Ni相中形成析出相γ′-Ni₃Al并起到第二相相强化的作用。因此,研究这些合金元素在镍基单晶合金中的相互作用以及对相稳定性的影响具有重要的科学价值和应用背景。利用第一原理结合统计热力学蒙特卡罗方法可以研究和预测镍基单晶高温合金内原子间的相互作用以及相稳定性。基于此我们首先研究了Re固溶在γ-Ni相中后形成的Ni-Re二元合金内Ni原子磁性以及合金晶格常数随着Re元素浓度增长而变化的趋势;然后,利用第一原理计算方法考察了低温和高温下Ni-Re合金体系内原子间的相互作用及析出相的稳定性,结果发现D1a-Ni₄Re是富Ni的Ni-Re合金中最稳定的析出相;最后,利用第一原理计算得到的原子关联能,使用统计热力学蒙特卡罗模拟预测了Ni-9at.%Re合金从高温1200 K到室温300 K区间内原子的有... 

【文章来源】：湖南大学湖南省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：142 页

【学位级别】：博士

【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 镍基高温合金的发展与应用
        1.1.1 镍基高温合金在航空工业上的应用
        1.1.2 镍基高温合金分类与发展历史
        1.1.3 我国镍基高温合金发展历史
    1.2 镍基高温合金的相组成
        1.2.1 γ相
        1.2.2 γ'相
        1.2.3 γ''相
        1.2.4 密排拓扑相
        1.2.5 碳化物和硼化物
    1.3 镍基高温合金中的合金元素
        1.3.1 镍基高温合金中元素分配趋势
        1.3.2 镍基单晶高温合金的合金化
    1.4 镍基单晶高温合金的计算与设计
        1.4.1 Ni的基本物理性质
        1.4.2 镍基单晶高温合金中的常见缺陷
            1.4.2.1 空位缺陷
            1.4.2.2 反位点缺陷
            1.4.2.3 位错和层错
        1.4.3 镍基单晶高温合金强化研究
            1.4.3.1 镍基单晶高温合金固溶强化
            1.4.3.2 镍基单晶高温合金析出相及界面强化
        1.4.4 镍基单晶高温合金中原子相互作用与相稳定性
    1.5 本论文的主要研究思路和主要内容
第2章 理论基础
    2.1 引言
    2.2 第一原理方法（First-principles Method）
        2.2.1 固体的哈密尔顿量
        2.2.2 哈特里-福克（Hartree-Fock）近似
        2.2.3 密度泛函理论（Density Functional Theory,DFT）
        2.2.4 局域密度近似和广义梯度近似
        2.2.5 格林函数（Green's function）
    2.3 合金的从头计算（Ab-initio）方法
        2.3.1 相干势近似（Coherent Potential Approximation,CPA）
        2.3.2 局域自洽格林函数（Locally Self-consistent Green's Function,LSGF）
    2.4 原子关联
        2.4.1 有效团簇关联（Effective cluster interaction）
        2.4.2 有序能
        2.4.3 屏蔽广义微扰法
    2.5 形成焓计算
    2.6 维加德（Vegard）晶格常数计算定律
    2.7 有限温度下的模拟
        2.7.1 有限温度下的磁性
        2.7.2 统计热力学蒙特卡罗（Monte Carlo）模拟方法
    2.8 本论文使用的模拟软件
        2.8.1 维也纳从头计算模拟程序包（VASP）
        2.8.2 精确的Muffin-tin轨道（Exact Muffin-tin Orbitals,EMTO）程序
        2.8.3 蒙特卡罗（Monte-Carlo）程序
第3章 γ-Ni相中Re原子的相互作用及相稳定性研究
    3.1 研究背景
    3.2 第一原理计算方法与模型
        3.2.1 格林函数方程EMTO计算方法
        3.2.2 投影缀加平面波VASP程序计算方法
    3.3 Ni-Re二元合金的基态性质
        3.3.1 Ni-Re合金的磁性以及晶格常数
        3.3.2 Ni-Re合金的形成焓
    3.4 Ni-Re二元合金内原子的相互作用
        3.4.1 超胞方法计算的总关联能
        3.4.2 屏蔽广义微扰法计算的关联能
    3.5 Ni-Re合金中有序结构的有序能
    3.6 Ni-9.4at.%Re合金中的短程有序
    3.7 本章小结
第4章 γ-Ni相中W原子的相互作用与相稳定性研究
    4.1 研究背景
    4.2 第一原理计算方法与模型
    4.3 Ni-W合金基态性质
        4.3.1 Ni-W合金的磁性以及晶格常数
        4.3.2 Ni-W合金的形成焓
    4.4 Ni-W合金中原子关联能
        4.4.1 超胞方法计算的关联能
        4.4.2 屏蔽广义微扰法（SGPM）计算的关联能
    4.5 富Ni的 Ni-W合金中的有序无序转变和相稳定性
        4.5.1 Ni-W合金的有序能
        4.5.2 富Ni的 Ni-W合金中的有序无序转变
        4.5.3 富Ni的 Ni-W合金中的有序相原子堆垛分析
    4.6 本章小结
3Al形成及相稳定性的影响'>第5章 Re对 γ-Ni相中γ'-Ni₃Al形成及相稳定性的影响
    5.1 研究背景
    5.2 第一原理计算方法与模型
    5.3 Ni-Al基本性质
        5.3.1 Ni-Al合金的磁性
        5.3.2 Ni-Al合金的形成焓
    5.4 Ni-Al-Re三元体系中的原子关联
        5.4.1 Ni-Al-Re三元体系中原子关联能计算方法
        5.4.2 Ni-Al-Re三元合金中原子关联能
    5.5 Ni-Al二元以及Ni-Al-Re三元合金中的有序无序转变
3Al合金的有序能">        5.5.1 Ni₃Al合金的有序能
3Al合金中有序无序转变研究">        5.5.2 Ni₃Al合金中有序无序转变研究
        5.5.3 Ni-Al-Re合金中的有序无序转变
3Al相界中的分配">        5.5.4 Re在 Ni/Ni₃Al相界中的分配
    5.6 本章小结
结论
    1 论文结论
    2 论文创新点与展望
参考文献
致谢
附录A （攻读学位期间发表与撰写的学术论文、参与的项目以及参加的学术会议）
    A.1 攻读学位期间发表与撰写的学术论文
    A.2 攻读学位期间参与的项目
    A.3 攻读学位期间参加的学术会议


【参考文献】：
期刊论文
[1]镍基高温合金中的初生碳化物及其强化作用[J]. 杨金侠,魏薇,刘路,唐杰,孙晓峰,胡壮麒.  稀有金属材料与工程. 2016(04)
[2]An overview of rhenium effect in single-crystal superalloys[J]. Ming Huang,Jing Zhu.  Rare Metals. 2016(02)
[3]相场模拟与材料基因组计划[J]. 陈龙庆.  科学通报. 2013(35)
[4]中国探月工程发展及对空间环境与材料研究的需求[J]. 于登云.  航天器环境工程. 2010(06)
[5]北斗卫星导航系统的进展、贡献与挑战[J]. 杨元喜.  测绘学报. 2010(01)
[6]Re与Ru合金化对Ni／Ni3Al相界电子结构影响的第一原理研究[J]. 彭平,陈律,周惦武,田泽安,韩绍昌,金涛,胡壮麒.  金属学报. 2007(02)
[7]镍基单晶高温合金的发展[J]. 胡壮麒,刘丽荣,金涛,孙晓峰.  航空发动机. 2005(03)
[8]相图计算研究的进展[J]. 乔芝郁,郝士明.  材料与冶金学报. 2005(02)
[9]航空铸造涡轮叶片合金和工艺发展的回顾与展望[J]. 陈荣章.  航空制造技术. 2002(02)

博士论文
[1]基于生态设计理念的镍基单晶高温合金中迹量掺杂元素的危害作用分析[D]. 彭黎.湖南大学 2012



本文编号：3157559