（中国空空导弹研究院 洛阳 471009）
摘要：采用CSL几何模型理论建立NiAl双晶模型，开展多种晶粒取向的NiAl双晶薄膜晶界的数值模拟，研究晶粒取向对晶界结构和晶界能的影响规律。晶界结构分析表明，E、E'和D是构成晶界核心的基本结构单元，晶界长度和自由体积在描述晶界上是两个独立的量，晶界长度和晶界平面法向指数有着直接的相关性。晶界能研究表明，晶界能的谷点出现在 ，自由体积和特殊结构单元的存在对晶界能有显著的影响。
关键词：NiAl双晶薄膜；晶界结构；晶界能；晶粒取向
引 言
NiAl是一种金属间化合物，作为一种高温
结构材料，被广泛应用于航空航天等大型工程领域。然而，大量的理论[1]和实验[2]研究发现NiAl具有严重的室温脆性。为了弄清NiAl室温脆性的本质，国内外许多学者以多晶NiAl为研究对象开展了大量的工作。
近年来，人们的主要工作是通过实验手段研究多晶NiAl的脆性破坏[2]，分析过早破坏的原因，然后采取添加合金元素的办法提高其力学性能。为了减少实验工作量、降低实验的盲目性，节省材料和人工消耗，采用数值模拟方法研究多晶NiAl晶界结构、性质和能量具有非常重要的意义。
1990年，Petton和Farkas[3]采用分子静力学(Molecular Statics,MS)方法计算了 和 两种特定晶粒取向的晶界结构和能量，但未考虑晶粒取向随机性的影响。
本文采用重位点阵模型理论(Coincidence Site Lattice,CSL)[4]建立NiAl双晶薄膜几何模型，利用分子静力学和能量最小化算法对多
种晶粒取向的结构体系进行弛豫，研究晶粒取向对晶界结构和能量的影响规律。
NiAl双晶薄膜几何模型
图1是通过CSL几何模型理论建立的截面
形状为矩形的NiAl双晶薄膜初始几何结构模
型。考虑晶界在弛豫过程中沿着晶界面法向方向的体积膨胀，将上下晶粒沿着界面法向相对移动2Å。不同晶粒取向 对应的模型在y和z方向的尺寸均取10 和100 ( 为NiAl晶格常数)。
2结果与讨论
3.1 平衡晶界结构
图2是按照晶粒取向差由小到大的顺序依次排列的具有最低能量的NiAl对称倾斜晶界原子图像。图像中，A结构单元是由Ni、Al交替排列而成的四面体，而A'结构单元可以认为是旋转了一定角度的A结构单元，它们是构成理想晶体点阵的基本结构单元。B是由Ni、Al交替排列的六元结构单元，D是连接两个Ni、Al原子的一条直线，E'是由Ni、Al交替排列而形成的类似加了盖的三方柱，E则可以看成是E'经旋转和拉压而形成的具有对称性的结构单元。
E、E'和D结构单元是构成双晶NiAl晶界核心的基本单元，每一个晶界的核心结构都可以用这三种结构单元进行完整描述。
从图2（a）可以看到,晶界只包含E结构单元，且结构是关于晶界面对称的，上下晶粒在晶界方向没有产生相对位移。观察图2(g)和(h)发现，某些特殊取向的晶界还包含有其他类型的原子结构。 晶界在E结构单元两侧对称地向体晶格区域延伸很短的本征堆垛层错(intrinsic stacking fault,ISF)， 晶界在E'结构单元的一侧向体晶格区域延伸具有几个原子层厚度的本征堆垛层错。D结构单元则是这些层错在晶体内部的终止线。进一步分析表明，这些本征堆垛层错往往是直接从晶界位错核发射出来的，其实质是相邻两个{110}面沿着<111>晶向发生相对滑动形成的分位错。
3.2 晶界长度和自由体积
图3给出了晶界长度 和晶界核心区域包含的自由体积 随着晶粒取向差 的变化情况。可以看出，晶界长度和晶界自由体积同时在 和 达到谷点，但是晶界长度和晶界自由体积并不同步，即随着取向差的增加，它们并不是同时增加或者减小。这说明，晶界长度和晶界自由体积在描述晶界结构上是独立的。
3.3 晶界能
为了克服自由表面对晶界能计算结果的影响，本文选取除边界层之外的可动原子区域作为晶界能的计算区域。晶界能计算结果如图5。
⑴相比Ni和Al，NiAl不同取向差的晶界能相差很大；
⑵NiAl平均晶界能和Ni平均晶界能(1210mJ/m2)接近，但远大于Al晶界能；
结论
(1)不同取向差的晶界，无论是在晶界核心结构单元组成，还是在晶界长度和自由体积方面，都存在很大的差异；晶界长度和自由体积在定量描述晶界结构上是两个独立的量。另外，晶界长度和晶界平面法向指数（hk0）存在直接相关性。
(2) NiAl晶界能的一个重要特征是不同取向差的晶界能相差很大；晶界能在 、 和 出现谷点。自由体积对晶界能有很大的影响。某些特殊晶界，自由体积小但能量高的原因是堆垛层错的存在。
参考文献：
Yan M, Vitek V, Chen S P. Many-body central force potentials and properties of grain boundaries in NiAl. Acta Mater., 1996, 44(11):4351-4365
作者简介：杨雄伟，1989年生，男，湖北天门，助理工程师，硕士，研究方向：雷达导引头结构设计。
论文作者:杨雄伟,史晓东
论文发表刊物:《电力设备》2017年第5期
论文发表时间:2017/5/27
标签：结构论文; 晶粒论文; 取向论文; 双晶论文; 单元论文; 体积论文; 自由论文; 《电力设备》2017年第5期论文;