第一性原理研究 Re 和 Ru 掺杂含量对 Ni-Al 二元模型镍基单晶高温合金稳定性的影响

First-principles study on the effects of Re and Ru doping content on the stability of a Ni-Al binary model nickel-based single-crystal superalloy

摘要

采用第一性原理计算，研究了掺杂元素（Re， Ru）含量对 Ni-Al 二元模型单晶高温合金稳定性和占位倾向的影响。 结果表明，随着 Re 和 Ru 元素含量的增加，体系的总能量逐渐降低，说明体系的稳定性得到了提高。 同时，使用 Ru 替换 Ni 的体系的稳定性最低，Re 替换 Al 的体系的稳定性最好，Re 和 Ru 均更倾向于替换 Al，这与之前的实验结果一致。 并且当 Re 和 Ru 元素含量占比约为 1.4% 替换 Al 时，替换形成能相较于其他含量的 Re 和 Ru 是最低的。 此外，通过去除 Ni-Al 二元模型中的一层原子，获得了 2 种不同的层错模式。 对于这 2 种层错模式的研究表明，用 Re 和 Ru 替换 Al 可以使体系的稳定性得到提高，且含 Re 的体系更稳定，替换形成能也比 Ru 替换 Al 更低。 然而，对于不同的层错模式，使用 Re 和 Ru 替换 Al，当体系稳定性最好，替换形成能以及层错能最低时，所需 Re 和 Ru 的含量不相同。 使用 Re 替换 Al，层错体系具有更好的稳定性，但稳定性最好的体系中 Re 的含量取决于所选择的层错模式。

Abstract

In this paper， the effects of doping elements （Re and Ru） content on the stability and occupancy orientation of a Ni-Al binary model nickel-based single-crystal superalloy are studied by using first-principles calculations.The results show that the total energy of the system decreases gradually with the increase of the content of Re and Ru elements， which suggests that the stability of the system is improved. The system using Ru to replace Ni has the lowest stability， while the stability of system is the best by using Re to replace Al.Therefore， Re and Ru are more inclined to replace Al， which is consistent with the previous experimental results.Meanwhile， compared to other contents of Re and Ru， when Re and Ru with the content of about 1.4% are used to replace Al， the substitution formation energy is the lowest. Furthermore， two different stacking fault modes are obtained by deleting a layer of atoms in the Ni-Al binary model.Research on these two stacking fault modes indicates that replacing Al with Re and Ru can improve the stability of the systems， and systems containing Re are more stable， which have lower substitution formation energy compared to replacing Al with Ru.However， for different stacking fault modes， when replacing Al with Re and Ru， the content of Re and Ru is different for the best of a stable system and the lowest of substitution formation energy and stacking fault energy.Replacing Al with Re results in a better stability in stacking fault systems， but the content of Re in the most stable system depends on the selected stacking fault mode.

关键词

Ni-Al 二元模型 / 第一性原理计算 / Re 和 Ru 元素 / 稳定性 / 层错模式

Key words

Ni-Al binary model / first-principles calculation / Re and Ru elements / stability / stacking fault mode

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基金资助

国家自然科学基金资助项目(12172259)