Acta Materialia | 美国PSU商顺利/刘梓葵 | 第一性原理计算空位调控氧扩散

文摘   科学   2025-01-08 18:07   浙江  

研究背景

镍基合金由于其优异的高温性能,包括屈服强度、抗氧化和腐蚀性以及疲劳和蠕变性能,已被广泛用于各种恶劣环境。然而,材料的表面氧化和腐蚀是造成其在恶劣环境下降解的常见原因。氧(O)的扩散过程在氧化、氧化皮生长、环境脆化、应力腐蚀开裂、氧化物形成以及力学性能变化等方面起着关键作用,因此对其进行研究至关重要。尽管氧扩散很重要,但由于实验和理论方面的挑战,文献中关于镍基合金中氧扩散的可用数据有限。实验测量面临高温、高压和/或长平衡时间等挑战,而理论预测也主要集中在面心立方(fcc)镍中的氧扩散。

图文摘要

研究方法

该研究采用基于密度泛函理论(DFT)的过渡态理论,结合空位(Va)调控机制,研究了镍基合金Ni30VaXO 中的O扩散,其中X代表22种合金元素。扩散跳跃率通过基于DFT的声子计算和准谐波方法(QHA)预测。此外,还进行了机器学习相关性分析,以理解预测结果。具体方法包括:
  • DFT计算:使用VASP代码进行DFT计算,采用PBEsol交换关联泛函和准谐波近似(QHA)来计算氧扩散的吉布斯自由能。

  • 过渡态理论:使用攀爬图像微扰弹性带 (CINEB) 方法计算过渡态和最小能量路径。

  • 声子计算:使用Yphon代码进行声子计算,预测声子态密度 (pDOS) 和力常数,用于评估扩散跳跃率和检验相稳定性。

  • 相关性分析:使用MATLAB进行相关性分析,包括线性拟合、顺序特征选择(SFS)和Shapley值,以确定氧扩散率与合金元素X的电子结构之间的关系。


图1. (a) 4原子fcc晶胞中氧扩散的示意图,以及其八面体间隙(OI)和四面体间隙(TI)位点;(b) 主要使用的Ni30VaXO的32原子超晶胞,其中X为合金元素,Va为空位。

研究发现

  • 合金元素的影响:研究发现,易于形成氧化物的活性元素(例如 Y、Hf、Al和Cr)会增加O的扩散率,而难以氧化的贵铂族元素(例如 Pt、Pd、Ir和Rh)会降低镍基合金中的O扩散率。这表明X和O之间的键合强度(可通过埃林汉姆图确定)在影响Ni中的O扩散方面起着关键作用。

  • 电子结构的相关性:通过线性拟合、顺序特征选择和Shapley值进行的相关性分析表明,Ni30VaXO中的O扩散率与合金元素X的电子结构密切相关,例如功函数、电负性和价电子数。

  • 异常值:相关性分析确定的异常值主要是合金元素Y和Mn,它们与 Ni30VaXO中的O扩散相关。

图2. 预测的22种合金元素X的Ni30VaXO中氧的扩散系数,其激活能从Y的0.67 eV增加到Pt的 2.18 eV。

研究意义

该研究通过DFT计算和机器学习分析,系统地研究了镍基合金中空位调控的氧扩散机制,揭示了合金元素对氧扩散率的影响规律,并发现氧扩散率与合金元素的电子结构密切相关。这些发现为理解和预测镍基合金中的氧扩散行为提供了重要的理论依据,并对设计具有更好抗氧化和热腐蚀性能的镍基合金具有指导意义。

图3. 使用线性拟合进行相关性分析以检验Ni30VaXO中的O扩散:(a) 激活能Q与合金元素X的功函数 (WorkFunc) 的关系;(b) 指前因子 log10(𝐷0) 与电负性 (EleNeg) 的关系。


作者
这项工作的第一作者兼通讯作者是美国宾夕法尼亚大学的商顺利教授。参与作者是美国国家能源技术实验室的Michael C. Gao和美国宾夕法尼亚大学的刘梓葵教授。
引文格式
S.-L. Shang, M.C. Gao, Z.-K. Liu, Predicting and understanding vacancy-modified oxygen diffusion in dilute Ni-based alloys by first-principles calculations, Acta Materialia 285 (2025) 120664. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2024.120664.

相关推荐
四个开源材料基因数据库|第一性原理计算&机器学习:元素、化合物、半导体、催化剂等


欢迎关注蠕变预测ICCP!本公众号致力于为您分享高温材料及强度、蠕变、材料基础理论与实验等领域的科研成果与资讯。公众号公益推送相关研究成果,欢迎投稿,共推行业发展!

蠕变预测ICCP
欢迎关注蠕变预测ICCP!本公众号致力于为您分享高温材料及强度、蠕变、材料基础理论与实验等领域的科研成果与资讯。公众号公益推送相关研究成果,欢迎投稿,共推行业发展!
 最新文章