[论文解读] Kinetic Monte Carlo simulations of vacancy diffusion in non-dilute Ni-X (X=Re,W,Ta) alloys

Maximilian Grabowski, Jutta Rogal+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 12, 2018

High Temperature Alloys and Creep被引用 5

一句话总结

本研究结合密度泛函理论（DFT）与动力学蒙特卡洛（KMC）模拟，研究了非稀释Ni-Re、Ni-W和Ni-Ta合金中至多10 at.%溶质浓度下的空位扩散行为。结果表明，空位迁移率主要受溶质引起的基体扩散能垒变化所主导，而非溶质自身的本征扩散能垒——这揭示了尽管W的扩散速度更快，Ni-W中的空位迁移率仍比Ni-Re显著减慢，从而挑战了以往认为空位迁移率本身即可解释高温合金中Re效应的假设。

ABSTRACT

The mobility of vacancies in alloys may limit dislocation climb. Using a combined density functional theory and kinetic Monte Carlo approach we investigate vacancy diffusion in Ni-Re, Ni-W, and Ni-Ta binary alloys up to 10 at.% solute concentration. We introduce an interaction model that takes into account the chemical environment close to the diffusing atom to capture the effect of solute-host and solute-solute interactions on the diffusion barriers. In contrast to an ideal solid solution it is not only the diffusion barrier of the solute atom that influences the vacancy mobility, but primarily the change in the host diffusion barriers due to the presence of solute atoms. This is evidenced by the fact that the observed vacancy slowdown as a function of solute concentration is larger in Ni-W than in Ni-Re, even though Re is a slower diffuser than W. To model diffusion in complex, non-dilute alloys an explicit treatment of interaction energies is thus unavoidable. In the context of Ni-based superalloys two conclusions can be drawn from our kinetic Monte Carlo simulations: the observed slowdown in vacancy mobility is not sufficient to be the sole cause for the so-called Re-effect; and assuming a direct correlation between vacancy mobility, dislocation climb, and creep strength the experimentally observed similar effect of W and Re in enhancing creep strength can be confirmed.

研究动机与目标

• 理解非稀释Ni基高温合金中的空位扩散行为，特别是与真实γ相显微结构中溶质浓度（最高达10 at.%）相关的扩散行为。
• 研究空位迁移率减慢是否足以解释Ni基高温合金中Re对蠕变强度的增强作用。
• 确定溶质扩散能垒与溶质诱导的基体扩散能垒变化在控制空位迁移率中的相对作用。
• 开发并应用一种相互作用模型，以在KMC模拟中显式捕捉溶质-溶质、溶质-基体及溶质-空位之间的相互作用。
• 评估W是否通过与Re类似的空位迁移率抑制机制实现对蠕变强度的增强，尽管W的扩散速度更快。

提出的方法

• 采用密度泛函理论（DFT）计算Ni-X（X=Re, W, Ta）体系中的原子迁移能垒与相互作用能。
• 开发了一种依赖于化学环境的相互作用模型，以考虑局部溶质配位环境及其对空位跳跃频率的影响。
• 利用DFT获得的跳跃频率与相互作用参数，执行动力学蒙特卡洛（KMC）模拟，以模拟非稀释合金中的空位扩散行为。
• 在KMC模型中显式处理溶质-溶质与溶质-基体相互作用，以避免理想固溶体近似带来的局限性。
• 通过扩散矩阵计算宏观扩散性质，利用从KMC轨迹中获得的热力学因子矩阵与输运系数。
• 将模型验证结果与理想溶液的解析表达式进行对比，并对非理想、非稀释情况采用数值系综平均方法。

实验结果

研究问题

• RQ1 空位迁移率在Ni基高温合金中的行为在多大程度上取决于溶质引起的基体扩散能垒变化，而非溶质自身的本征扩散能垒？
• RQ2 尽管W的扩散速度比Re快，为何Ni-W中的空位减慢效应强于Ni-Re？
• RQ3 在γ相中实际存在的局部溶质浓度下，Re和W导致的蠕变强度增强是否可仅通过空位迁移率抑制来解释？
• RQ4 要达到足以解释Re效应的空位迁移率降低程度，需要多高的溶质浓度？该浓度在真实显微结构中是否可达？
• RQ5 溶质-溶质与溶质-基体相互作用如何影响非稀释合金中的有效扩散能垒？为何显式建模这些相互作用至关重要？

主要发现

• 在相同溶质浓度下，Ni-W中的空位减慢效应显著强于Ni-Re，尽管W的本征扩散能垒低于Re。
• 控制空位迁移率的主要因素并非溶质自身的扩散能垒，而是溶质原子引起的基体扩散能垒变化。
• 为解释Re效应所必需的75%空位迁移率降低，要求局部Re浓度超过20 at.%，该浓度可能在位错或γ/γ′界面附近达到。
• 在10 at.% Re时，模拟得到的空位迁移率降低约50%，尚不足以完全解释实验中观测到的Re效应。
• W与Re对蠕变强度的相似增强作用，可通过溶质诱导的基体能垒变化所导致的空位迁移率相似抑制来解释。
• 显式建模溶质-溶质、溶质-基体及溶质-空位相互作用能对准确预测非稀释合金中的扩散行为至关重要，因为理想固溶体模型在此区域失效。