[论文解读] Comprehensive ab initio study of effects of alloying elements on generalized stacking fault energies of Ni and Ni$_3$Al

Heyu Zhu, Jian-Tao Wang+6 more|arXiv (Cornell University)|Mar 29, 2023

High Temperature Alloys and Creep被引用 6

一句话总结

本研究采用从头算密度泛函理论系统研究了30多种合金元素对Ni和Ni₃Al中广义层错能（GSFEs）的影响，发现Re、W、Mo、Os、Ru和Ir显著提高GSFEs，从而增强滑移抗力和位错稳定性。研究结果建立了一个预测性框架，可用于设计下一代具有优异高温强度的Ni基单晶高温合金。

ABSTRACT

Excellent high-temperature mechanical properties of Ni-based single crystal superalloys (NSCSs) are attributed to the yield strength anomaly of Ni$_{3}$Al that is intimately related to generalized stacking fault energies (GSFEs). Therefore, clarifying the effects of alloying elements on the GSFEs is of great significance for alloys design. Here, by means of ab initio density functional theory calculations, we systematically calculated the GSFEs of different slip systems of Ni and Ni$_{3}$Al without and with alloying elements using the alias shear method. We obtained that for Ni, except for magnetic elements Mn, Fe, and Co, most of alloying elements decrease the unstable stacking fault energy ($γ_{usf}$) of the $[01\bar{1}](111)$ and $[11\bar{2}](111)$ slip systems and also decrease the stable stacking fault energy ($γ_{sf}$) of the $[11\bar{2}](111)$ slip system. For Ni$_{3}$Al, most of alloying elements in groups IIIB-VIIB show a strong Al site preference. Except for Mn and Fe, the elements in groups VB-VIIB and the first column of group VIII increase the values of $γ_{usf}$ of different slip systems of Ni$_{3}$Al. On the other hand, the elements in groups IIIB-VIIB also increase the value of $γ_{sf}$. We found that Re is an excellent strengthening alloying element that significantly increases the slip barrier of the tailing slip process for Ni, and also enhances the slip barrier of the leading slip process of three slip systems for Ni$_{3}$Al. W and Mo exhibit similar effects as Re. We predicted that Os, Ru, and Ir are good strengthening alloying elements as well, since they show the strengthening effects on both the leading and tailing slip process for Ni and Ni$_{3}$Al.

研究动机与目标

• 理解合金元素如何影响Ni和Ni₃Al中的广义层错能（GSFEs），这是Ni基高温合金高温强度的关键参数。
• 阐明合金元素在调节(111)滑移系中不稳定（γusf）和稳定（γsf）层错能方面的作用。
• 识别出能增强Ni和Ni₃Al相中滑移抗力和位错稳定性的最优合金元素。
• 建立一个全面且具有预测性的GSFE响应数据库，用于单晶高温合金的合金设计。

提出的方法

• 采用从头算密度泛函理论（DFT）计算，测定含和不含溶质原子的Ni和Ni₃Al中的GSFEs。
• 使用别名剪切法测定Ni和Ni₃Al中[011̄](111)和[112̄](111)滑移系的GSFEs。
• 系统地将30多种元素掺入Ni和Ni₃Al超胞中，评估其对γusf和γsf的影响。
• 分析溶质在Ni₃Al中的占位偏好，发现来自IIIB–VIIB族的元素强烈倾向于占据Al位点。
• 将GSFE变化与原子性质（如倒原子半径和d电子数）相关联。
• 在可用的情况下，将结果与实验和文献数据进行验证，确保一致性和可靠性。

实验结果

研究问题

• RQ1 不同合金元素如何影响Ni和Ni₃Al在(111)面上的不稳定层错能（γusf）？
• RQ2 合金元素对Ni₃Al中稳定层错能的影响如何，特别是对反相边界和复杂层错稳定性的关系？
• RQ3 哪些元素最有效地提高GSFEs以增强Ni和Ni₃Al中的位错滑移抗力？
• RQ4 原子尺寸（倒半径）与溶质对GSFE改性的大小之间是否存在相关性？
• RQ5 过渡金属如Re、W、Mo、Os、Ru、Ir和Pt如何影响Ni₃Al中领先和尾随部分位错的势垒？

主要发现

• Re、W和Mo显著提高Ni中的γusf，提高位错滑移的能垒，从而增强强化效果。
• 在Ni₃Al中，Re在所有三个滑移系（[112̄]、[011̄]、[110̄]）中均提高γusf，使位错发射和滑移更加困难。
• Os、Ru和Ir在Ni和Ni₃Al中均表现出强烈的强化潜力，通过提高领先和尾随部分位错的GSFEs实现。
• 除Mn、Fe、Co外，大多数溶质导致Ni中γusf的降低，与原子半径的倒数密切相关。
• IIIB–VIIB族元素提高Ni₃Al中的γsf，降低反相边界和复杂层错的稳定性。
• Re在Ni中使γusf提高132 mJ/m²，在Ni₃Al中也提高132 mJ/m²，Os、Ru和Ir也表现出类似的增强效果，表明其具有卓越的强化潜力。