B2相FeAl合金室溫氫脆理論研究現(xiàn)狀

藍(lán)春香，朱甜霞

（南寧學(xué)院 通識(shí)教育學(xué)院，廣西 南寧 530000）

Fe-Al金屬間化合物由Fe原子和Al原子按不同比例組成的化合物，具有顯著的金屬結(jié)合鍵。如Fe-Al相圖1所示，室溫下當(dāng)Al原子的組分為33%～51%是B2結(jié)構(gòu)，密度為5.56 g/cm3，具較寬的成分范圍和相穩(wěn)定性。B2相的FeAl金屬間化合物由于其長(zhǎng)程有序、反常的屈服行為、獨(dú)特的物理化學(xué)性能及價(jià)格低廉的特點(diǎn)備受關(guān)注，是航空和中高溫結(jié)構(gòu)材料極具開發(fā)潛力的新材料。然而， FeAl金屬間化合物存在室溫脆性大、高溫抗蠕變性能差、強(qiáng)烈的Kirkendall效應(yīng)等尚未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的工業(yè)應(yīng)用。

近年來(lái)，盡管實(shí)驗(yàn)對(duì)其性能及應(yīng)用的研究業(yè)已取得了一定的成果，但限于高昂的實(shí)驗(yàn)成本、高精度的原位測(cè)量技術(shù)及對(duì)材料性能超高的要求，現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件及技術(shù)仍然存在許多的局限性。隨著計(jì)算材料科學(xué)的興起，通過第一性原理、分子動(dòng)力學(xué)及固體與分子經(jīng)驗(yàn)電子理論等模擬方法從原子層面上分析FeAl合金室溫脆性機(jī)理已成為FeAl力學(xué)性能研究的熱點(diǎn)。

1 B2相FeAl脆性機(jī)理

張建民[1]等基于固體與分子經(jīng)驗(yàn)電子理論計(jì)算了FeAl金屬間化合物的價(jià)電子結(jié)構(gòu)和鍵能，分析了電子分布和晶體鍵絡(luò)特性與室溫脆性的關(guān)系。

研究表明：Fe-Al呈脆性的主要因素是合金中的晶格電子數(shù)較α-Fe的少，采用含晶格電子數(shù)多的組元進(jìn)行合金化，可以提高Fe-Al的塑性。Painter[2]基于第一性原理研究了FeAl合金的氫脆機(jī)理，結(jié)果表明：H原子的存在使得FeAl晶格膨脹，并伴隨著內(nèi)聚強(qiáng)度的顯著降低。氫脆機(jī)理源自Fe原子向H原子轉(zhuǎn)移電荷引起的d軌道電荷的耗盡。Gallouze[3]基于從頭算方法對(duì)H原子在B2-FeAl上的吸附和吸收進(jìn)行了系統(tǒng)研究，結(jié)果表明：富Al的完整體系中，H原子占據(jù)八面體間隙較為穩(wěn)定。存在Al空位和Al反位結(jié)構(gòu)的B2-FeAl較完整體系更易于吸收H原子，被B2-FeAl體系吸收后的H原子與Al原子形成更強(qiáng)的鍵，F(xiàn)e-Al鍵和Fe-Fe鍵均大幅度銳減（分別為41.5%、34.5%）。表面吸附及擴(kuò)散研究表明：H原子通常吸附在(001)和(110)面，且傾向于通過(110)面擴(kuò)散到體相內(nèi)。Zhang等[4]研究了B2-FeAl中{100}平面堆垛層錯(cuò)上的H累積行為。發(fā)現(xiàn)：{100}SF可以捕獲H原子，被捕獲的H充當(dāng)H氣泡的成核位點(diǎn)。在H原子面密度高達(dá)5.9×1015/cm2個(gè)原子時(shí)，H原子重新結(jié)合成H2。H氣泡隨H原子數(shù)量的增加逐漸生長(zhǎng)，產(chǎn)生3.4 GPa的氫氣壓力，拉長(zhǎng)Al-Al鍵，最終形成裂紋。俞澤民等[5]基于從頭算量子力學(xué)，通過CASTEP包對(duì)B2-FeAl合金H原子摻雜前后的電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬。計(jì)算結(jié)果表明：在B2-FeAl晶體中，Al原子的sp雜化軌道具有較強(qiáng)的方向性，參與FeAl之間的pd極化鍵，最終導(dǎo)致晶體的脆性。當(dāng)FeAl體系中H原子摻雜濃度為1.82%時(shí)，H原子近鄰的Al原子晶格電子轉(zhuǎn)化為共價(jià)電子，與H原子成鍵，使晶體內(nèi)局域金屬性下降，在晶體內(nèi)部形成具有明顯各向異性的鍵絡(luò)，加速晶體解理。黃廣棋[6]等基于密度泛函理論，對(duì)B2-FeAl表面和體相的氫行為開展第一原理計(jì)算研究。指出水分子的解離反應(yīng)可在室溫下自發(fā)發(fā)生，驗(yàn)證了Fe原子對(duì)表面水分子解離反應(yīng)不可或缺的催化作用。探究鐵鋁內(nèi)部空位-氫復(fù)合體系的團(tuán)簇化現(xiàn)象，提出了各向同性氫化空位致FeAl氫脆的機(jī)制：H原子進(jìn)入FeAl促生大量Fe空位，并在＜100＞向和｛100｝面的不斷聚集產(chǎn)生的線狀或平面狀的團(tuán)簇，從而成為FeAl裂紋和起泡的形核中心，最終導(dǎo)致FeAl金屬間化合物的氫脆效應(yīng)。

2 B2相FeAl微合金化

FeAl金屬間化合物的室溫脆性嚴(yán)重阻礙了它的應(yīng)用，通過微合金化提高韌性是改善其室溫脆性的主要方法之一。基于密度泛函理論的第一性原理研究是微合金化理論研究的根本。Liu[7]應(yīng)用Recursion方法和緊束縛鍵模型計(jì)算了FeAl合金中＜110＞和＜121＞反相疇界的電子結(jié)構(gòu)及加入微合金化元素Cr的效應(yīng)，給出了體系的電子態(tài)密度、原子間相互作用能和反相疇界（APB）能。討論了FeAl合金中加入鉻對(duì)合金的反相疇界能和物理性質(zhì)的影響。計(jì)算結(jié)果表明，加入Cr后可以降低FeAl合金的反相疇界能，提高合金的塑性。同時(shí)，Cr加入到APB面上還可增強(qiáng)原子間相互作用，從而增強(qiáng)FeAl合金的斷裂強(qiáng)度。Yan[8]研究了B在B2相FeAl[100](010)邊緣位錯(cuò)核中的偏析。結(jié)果表明：B能以間隙固溶的方式偏析到膨脹區(qū)域，并且能在膨脹和壓縮區(qū)域取代Al橋連在一起成為團(tuán)簇。Fuks[9]等采用WIENK軟件包，GGA交換關(guān)聯(lián)函數(shù)，研究了分別添加Cr、V及Ni對(duì)B2-FeAl的熱力學(xué)穩(wěn)定性，確定了合金組元的優(yōu)先占位及空位形成情況。結(jié)果表明：在無(wú)缺陷B2-FeAl中，V、Cr較傾向于占據(jù)Al位，而Ni較傾向于占據(jù)Fe位，Ni合金對(duì)相的穩(wěn)定性具有顯著的影響，其次是V、Cr。趙榮達(dá)[10]基于密度泛函理論研究稀土元素微合金效應(yīng)對(duì)B2型Fe8Al8有序金屬間化合物晶體結(jié)構(gòu)、彈性和電子性能的影響。研究指出：稀土元素能夠穩(wěn)定存在于B2相FeAl中，（La、Ac、Sc、Y）的加入使其點(diǎn)陣常數(shù)有所增加，且通過改變Fe和Al之間的電子雜化作用，降低了Fe-d軌道電子在費(fèi)米能級(jí)處的態(tài)密度值。Fe8Al8微合金化在一定程度上改善了其塑性，降低熔化溫度，同時(shí)硬度略有所下降。陳煜[11]研究合金元素（Cr，Mo和W）對(duì)B2型FeAl金屬間化合物晶體結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)的影響，從固溶鍵合的角度揭示合金元素對(duì)力學(xué)性能影響的機(jī)制。結(jié)果表明：Cr、Mo和W的加入均提升了合金的體模量、剪切模量和彈性模量，改善了FeAl的脆性，其中Mo的加入對(duì)FeAl的脆性改善作用最大。合金元素改善FeAl脆性的微觀機(jī)理為：合金元素原子以d軌道電子為主參與FeAl金屬間化合物的電子雜化，增強(qiáng)了FeAl合金的結(jié)合能力；同時(shí)增加電荷的轉(zhuǎn)移量，增強(qiáng)原子間的離子鍵，提高合金的穩(wěn)定性。

3 展望

迄今，對(duì)B2-FeAl的理論研究已取得一定的成效。基于第一性原理計(jì)算、Miedema理論、固體分子經(jīng)驗(yàn)電子理論、微觀相場(chǎng)等能夠從微觀及宏觀層面上揭示合金的力學(xué)性能、室溫脆性機(jī)理及合金相作用機(jī)理，從而在一定程度上預(yù)測(cè)材料的性能，對(duì)實(shí)驗(yàn)具有重要的指導(dǎo)意義。然而，基于各類模擬條件的限制，距離實(shí)現(xiàn)合金材料功能化、生產(chǎn)工業(yè)化仍有很大的距離。因此，我們需要繼續(xù)完善基礎(chǔ)理論和計(jì)算方法，為B2-FeAl合金的制備與應(yīng)用提供更為精確的工藝參數(shù)。