点缺陷对Ni基超合金γ与γ’相及γ_γ’相界力学性质影响的第一原理计算

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1、学校代号10532学号S151301163分类号TG132.32密级公开硕士学位论文点缺陷对Ni基超合金γ与γ′相及γ/γ′相界力学性质影响的第一原理计算学位申请人姓名田栋培养单位材料科学与工程学院导师姓名及职称彭平教授学科专业材料科学与工程研究方向计算材料科学论文提交日期2018年5月15日学校代号：10532学号：S151301163密级：公开湖南大学硕士学位论文点缺陷对Ni基超合金γ与γ′相及γ/γ′相界力学性质影响的第一原理计算学位申请人姓名：田栋导师姓名及职称：彭平教授培养单位：材料科学与工程学院专业名称：材料科学与工程论文提交日期

2、：2018年5月15日论文答辩日期：2018年5月22日答辩委员会主席：肖汉宁教授First-principlescalculationoftheeffectofpointdefectsonthemechanicalpropertiesofγandγ'phasesandγ/γ'interfacesbyTIANDongB.E.(HunanUniversity)2015AthesissubmittedinpartialsatisfactionoftheRequirementsforthedegreeofMasterofEngineeringint

3、heMaterialsScienceandEngineeringGraduateschoolofHunanUniversitySupervisorProfessorPENGPingMay,2018学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书湖南大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名

4、：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1.保密□，在年解密后适用本授权书。2.不保密□。(请在以上相应方框内打”√”)作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日I点缺陷对Ni基超合金γ与γ′相及γ/γ′相界力学性质影响的第一原理计算摘要镍基单晶超合金是制备先进航空发

5、动机叶片的关键材料，明确强化相γ′-Ni3Al、基体相γ-Ni以及γ-Ni/γ′-Ni3Al相界的强化机制，有助于指导新一代镍基单晶超合金的研发。为此，本文采用第一原理计算方法，进行了如下研究。(1)采用CASTEP软件与Ni3Al和Ni(2×2×2)超胞模型研究了Al反位和Ni空位浓度分别对Ni3Al和Ni晶体力学性质的影响，并与经验公式计算结果进行比较分析。结果表明：随Al反位浓度增大，Ni3Al单晶<001>和<011>方向的杨氏模量以及<011>和<111>方向的剪切模量增大；Ni3Al多晶的杨氏模量E和剪切模量G基本不受影响。随Ni

6、空位浓度升高，Ni单晶各个取向的E和G显著降低；Ni多晶的E和G也均降低。这一结果经验公式计算表明，可以通过电子密度和体积来预测体模量的变化。(2)采用VASP软件和Ni3Al(3×3×3)超胞模型计算了Ni3Al不同点缺陷结构的电子结构，并比较了点缺陷对Ni3Al晶体力学性质的影响。结果表明：孤立的Al反位和Ni反位点缺陷能够提高Ni3Al的强度，Al反位的提升效果较好；而大多数复合点缺陷会削弱Ni3Al的强度，其中最近邻Al反位复合点缺陷的削弱作用显著。这一结果解释了高温下Ni3Al偏离化学计量比强度降低的实验现象。电子结构分析表明：Ni

7、3Al强度降低可归结为点缺陷引起电荷密度球形分布，球形分布可以促进剪切变形，非球形分布抑制剪切变形。(3)采用CASTEP软件计算了P掺杂前后γ-Ni/γ'-Ni3Al相界的断裂强度，并评估了P掺杂含量的影响。结果显示：P对Ni/Ni3Al相界断裂强度的有利与不利影响主要取决于与P掺杂类型密切相关的相间断裂位置。随P含量增大，Ni/Ni3Al相界的Griffith断裂功先降低后增大，在P含量为0.018wt.%时达到最小。这一变化趋势与IN718超合金极限拉伸强度随P含量的变化趋势一致，表明在某种程度上Ni/Ni3Al相界的断裂强度可以用来表

8、征镍基超合金的拉伸强度。电子结构的分析表明：P掺杂的有害影响可归结为Ni/Ni3Al界面原子间电子亲和力的减弱，但P置换Ni引起的局域弹性应变能增加也不容忽视。二者