近日，哈尔滨工业大学材料学院陈国庆教授、冷雪松教授联合伦敦玛丽女王大学Chinnapat Panwisawas教授等在金属材料领域顶级期刊《Acta Materialia》发表了研究论文，题为‘‘Uncovering the fracture mechanism of Laves (1 1 1)/ Ni6Nb7 (0 0 0 1) interfaces by first-principles calculations’’。哈尔滨工业大学为第一完成单位，哈尔滨工业大学张戈博士和陈国庆教授为共同第一作者，陈国庆教授和冷雪松教授为论文共同通讯作者。
这一研究工作基于Nb与GH3128电子束焊接，从原子尺度揭示焊缝靠近Nb母材金属一侧Laves/Ni6Nb7界面反应层的断裂行为，以及界面原子键合对界面结合的影响，为Nb与GH3128电子束焊接工艺优化提供了理论指导。
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2024.120426
研究团队采用透射电镜确定了Nb与GH3128电子束焊接接头焊缝靠近Nb母材金属一侧Laves / Ni6Nb7界面反应层结构及位向关系。采用第一性原理计算方法系统构建了Laves (1 1 1)/ Ni6Nb7 (0 0 0 1)界面反应层模型。研究发现：具有不同初始表面终端和界面原子构型的Laves (1 1 1)/Ni6Nb7 (0 0 0 1)界面在结构弛豫过程中会发生界面重构，提高界面稳定性。界面重构会使初始界面间距变小，界面粘附功增大。界面间距变小有助于缩短界面原子键长，改善界面原子间相互作用。界面粘附功的增大在一定程度上有助于提高Laves (1 1 1)/Ni6Nb7 (0 0 0 1)界面结合强度。
研究团队通过原子级别第一性原理拉伸实验，发现所有Laves (1 1 1)/Ni6Nb7 (0 0 0 1)界面模型均沿着界面或界面附近区域断裂，这主要是因为界面区域的Nb-Ni原子键键合较弱，在拉伸过程中，Nb-Ni原子键会先于界面失效，导致界面承载能力下降，界面强度因此而降低。COHP和ICOHP分析表明，Laves (1 1 1)/Ni6Nb7 (0 0 0 1)界面主要依靠金属键结合。界面上的所有垂直于界面的化学键都有助于改善Laves (1 1 1)/Ni6Nb7 (0 0 0 1)界面结合。Laves (1 1 1)/Ni6Nb7 (0 0 0 1)界面的结合强度与垂直于界面的原子键类型密切相关，其中Nb-Nb键与Nb-Cr键键合强度较高，并且远高于Nb-Ni键。Nb-Ni键会削弱Laves (1 1 1)/Ni6Nb7 (0 0 0 1)界面的结合力，使Laves和Ni6Nb7两相结合区域成为整个界面反应层最为薄弱的区域，从而对Nb/GH3128焊接接头力学性能产生不利影响。
图1、（a）Nb/GH3128电子束焊接接头焊缝靠近Nb母材一侧Laves / Ni6Nb7界面反应层明场像;（b）Laves / Ni6Nb7界面反应层高分辨图像；（c）图（b） 橙色区域放大图。
图2、基于(1 1 1)Laves//(0 0 0 1) Ni6Nb7位向关系构建的具有Nb(Cr)终端的Laves表面和具有 Nb(Nb)终端的Ni6Nb7表面构成的Laves (1 1 1)/ Ni6Nb7 (0 0 0 1)界面模型：（a）Laves表面最外层的Nb原子位于Ni6Nb7表面相邻Nb原子连线中点的bridge位点；（b、c）Laves表面最外层的Nb原子分别位于Ni6Nb7表面三个Nb原子围成的两个不同的hcp位点；（d）Laves表面最外层的Nb原子位于Ni6Nb7表面Nb原子正上方的top位点。
图3、（a-c）CrNi-Laves/X-Ni6Nb7界面粘附功与界面间距关系曲线；（d-f）NbCr-Laves/X-Ni6Nb7界面粘附功与界面间距关系曲线。
图4、（a）拉伸过程中Nb(Ni)-Laves/Nb(Nb)-hcp-Ni6Nb7界面电子局域函数云图；（b）拉伸过程中Nb(Cr) -Laves /Nb(Nb)-hcp-Ni6Nb7界面电子局域函数云图。
图5、不同界面中垂直于界面的化学键的平均-ICOHP值与平均化学键长关系图。
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