B2相FeAl合金室溫氫脆理論研究現狀

藍春香，朱甜霞

（南寧學院 通識教育學院，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，具有顯著的金屬結合鍵。如Fe-Al相圖1所示，室溫下當Al原子的組分為33%～51%是B2結構，密度為5.56 g/cm3，具較寬的成分范圍和相穩定性。B2相的FeAl金屬間化合物由于其長程有序、反常的屈服行為、獨特的物理化學性能及價格低廉的特點備受關注，是航空和中高溫結構材料極具開發潛力的新材料。然而， FeAl金屬間化合物存在室溫脆性大、高溫抗蠕變性能差、強烈的Kirkendall效應等尚未實現大規模的工業應用。

近年來，盡管實驗對其性能及應用的研究業已取得了一定的成果，但限于高昂的實驗成本、高精度的原位測量技術及對材料性能超高的要求，現有的實驗條件及技術仍然存在許多的局限性。隨著計算材料科學的興起，通過第一性原理、分子動力學及固體與分子經驗電子理論等模擬方法從原子層面上分析FeAl合金室溫脆性機理已成為FeAl力學性能研究的熱點。

1 B2相FeAl脆性機理

張建民[1]等基于固體與分子經驗電子理論計算了FeAl金屬間化合物的價電子結構和鍵能，分析了電子分布和晶體鍵絡特性與室溫脆性的關系。

研究表明：Fe-Al呈脆性的主要因素是合金中的晶格電子數較α-Fe的少，采用含晶格電子數多的組元進行合金化，可以提高Fe-Al的塑性。Painter[2]基于第一性原理研究了FeAl合金的氫脆機理，結果表明：H原子的存在使得FeAl晶格膨脹，并伴隨著內聚強度的顯著降低。氫脆機理源自Fe原子向H原子轉移電荷引起的d軌道電荷的耗盡。Gallouze[3]基于從頭算方法對H原子在B2-FeAl上的吸附和吸收進行了系統研究，結果表明：富Al的完整體系中，H原子占據八面體間隙較為穩定。存在Al空位和Al反位結構的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原子形成更強的鍵，Fe-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)面擴散到體相內。Zhang等[4]研究了B2-FeAl中{100}平面堆垛層錯上的H累積行為。發現：{100}SF可以捕獲H原子，被捕獲的H充當H氣泡的成核位點。在H原子面密度高達5.9×1015/cm2個原子時，H原子重新結合成H2。H氣泡隨H原子數量的增加逐漸生長，產生3.4 GPa的氫氣壓力，拉長Al-Al鍵，最終形成裂紋。俞澤民等[5]基于從頭算量子力學，通過CASTEP包對B2-FeAl合金H原子摻雜前后的電子結構進行模擬。計算結果表明：在B2-FeAl晶體中，Al原子的sp雜化軌道具有較強的方向性，參與FeAl之間的pd極化鍵，最終導致晶體的脆性。當FeAl體系中H原子摻雜濃度為1.82%時，H原子近鄰的Al原子晶格電子轉化為共價電子，與H原子成鍵，使晶體內局域金屬性下降，在晶體內部形成具有明顯各向異性的鍵絡，加速晶體解理。黃廣棋[6]等基于密度泛函理論，對B2-FeAl表面和體相的氫行為開展第一原理計算研究。指出水分子的解離反應可在室溫下自發發生，驗證了Fe原子對表面水分子解離反應不可或缺的催化作用。探究鐵鋁內部空位-氫復合體系的團簇化現象，提出了各向同性氫化空位致FeAl氫脆的機制：H原子進入FeAl促生大量Fe空位，并在＜100＞向和｛100｝面的不斷聚集產生的線狀或平面狀的團簇，從而成為FeAl裂紋和起泡的形核中心，最終導致FeAl金屬間化合物的氫脆效應。

2 B2相FeAl微合金化

FeAl金屬間化合物的室溫脆性嚴重阻礙了它的應用，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?；诿芏确汉碚摰牡谝恍栽硌芯渴俏⒑辖鸹碚撗芯康母?。Liu[7]應用Recursion方法和緊束縛鍵模型計算了FeAl合金中＜110＞和＜121＞反相疇界的電子結構及加入微合金化元素Cr的效應，給出了體系的電子態密度、原子間相互作用能和反相疇界（APB）能。討論了FeAl合金中加入鉻對合金的反相疇界能和物理性質的影響。計算結果表明，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，Cr加入到APB面上還可增強原子間相互作用，從而增強FeAl合金的斷裂強度。Yan[8]研究了B在B2相FeAl[100](010)邊緣位錯核中的偏析。結果表明：B能以間隙固溶的方式偏析到膨脹區域，并且能在膨脹和壓縮區域取代Al橋連在一起成為團簇。Fuks[9]等采用WIENK軟件包，GGA交換關聯函數，研究了分別添加Cr、V及Ni對B2-FeAl的熱力學穩定性，確定了合金組元的優先占位及空位形成情況。結果表明：在無缺陷B2-FeAl中，V、Cr較傾向于占據Al位，而Ni較傾向于占據Fe位，Ni合金對相的穩定性具有顯著的影響，其次是V、Cr。趙榮達[10]基于密度泛函理論研究稀土元素微合金效應對B2型Fe8Al8有序金屬間化合物晶體結構、彈性和電子性能的影響。研究指出：稀土元素能夠穩定存在于B2相FeAl中，（La、Ac、Sc、Y）的加入使其點陣常數有所增加，且通過改變Fe和Al之間的電子雜化作用，降低了Fe-d軌道電子在費米能級處的態密度值。Fe8Al8微合金化在一定程度上改善了其塑性，降低熔化溫度，同時硬度略有所下降。陳煜[11]研究合金元素（Cr，Mo和W）對B2型FeAl金屬間化合物晶體結構、電子結構的影響，從固溶鍵合的角度揭示合金元素對力學性能影響的機制。結果表明：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FeAl的脆性改善作用最大。合金元素改善FeAl脆性的微觀機理為：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，增強了FeAl合金的結合能力；同時增加電荷的轉移量，增強原子間的離子鍵，提高合金的穩定性。

3 展望

迄今，對B2-FeAl的理論研究已取得一定的成效?；诘谝恍栽碛嬎?、Miedema理論、固體分子經驗電子理論、微觀相場等能夠從微觀及宏觀層面上揭示合金的力學性能、室溫脆性機理及合金相作用機理，從而在一定程度上預測材料的性能，對實驗具有重要的指導意義。然而，基于各類模擬條件的限制，距離實現合金材料功能化、生產工業化仍有很大的距離。因此，我們需要繼續完善基礎理論和計算方法，為B2-FeAl合金的制備與應用提供更為精確的工藝參數。