【摘 要】
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镍基高温合金具有优异的化学和物理性能,广泛应用于航空发动机的热端部件。随着现代航空发动机推重比的不断提高,热端部件的服役条件越来越严苛,迫切需要对现有镍基高温合金进行性能改进,以及设计开发新的高温合金。最近研究发现,Inconel 718合金中的γ"-Ni3Nb有序相（D022结构）在设计开发新型高温合金方面具有巨大潜力,γ"相的结构稳定性和力学性质直接影响了合金的综合力学性能。然而,由于γ"相的
【基金项目】
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国家自然科学基金（51475396和51601161）; 中央高校基本科研业务费专项基金（20720170048）
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镍基高温合金具有优异的化学和物理性能,广泛应用于航空发动机的热端部件。随着现代航空发动机推重比的不断提高,热端部件的服役条件越来越严苛,迫切需要对现有镍基高温合金进行性能改进,以及设计开发新的高温合金。最近研究发现,Inconel 718合金中的γ"-Ni3Nb有序相（D022结构）在设计开发新型高温合金方面具有巨大潜力,γ"相的结构稳定性和力学性质直接影响了合金的综合力学性能。然而,由于γ"相的结构稳定性、热力学性质和力学性质在实验上难以直接测定,尚未得到充分研究。从理论上,采用第一性原理方法,可系统地研究γ"-Ni3Nb相的结构稳定性、热力学性质、力学性质和合金化影响,为优化Inconel 718等镍基高温合金的高温稳定性和力学性能,以及加速开发基于γ"-Ni3Nb沉淀强化的新型高温合金都提供了理论支撑。本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,系统研究了 γ〃-Ni3Nb相的结构稳定性、热力学性质和力学性质以及合金化影响;筛选出利于提高γ"-Ni3Nb相结构稳定性和力学性能的合金元素;并探讨温度影响γ"-Ni3Nb相力学性能的微观机理。本文主要内容如下:（1）利用基于密度泛函理论的第一性原理方法,首先系统研究了 Sc、Ti、V、Cr、Fe、Y、Mo、W和Os等21种过渡金属元素在γ"-Ni3Nb相中的择优占位,并探讨了合金元素对"γ"-Ni3Nb相结构稳定性的影响。研究结果表明:Sc、Ti、Y、Zr、Hf和Ta强烈倾向于占据Nb位,Rh、Ir和Pt具有强烈的Ni位偏好,V、Mo、W、Cr、Mn、Fe、Co、Tc、Ru、Pd、Re 和 Os 可同时占据 Nb 位和 Ni 位;添加 Sc、Ti、W、Y、Zr、Mo、Hf、Ta、W、Pt、Rh 和 Ir 能够提高γ"-Ni3Nb相的结构稳定性。（2）基于应力-应变法,研究了基态下21种过渡金属元素的添加对γ〃-Ni3Nb相力学性质（弹性常数、弹性模量、韧脆性、硬度、弹性各向异性等）的影响;并利用电荷密度差分,揭示了弹性力学性能与电子结构间的关系。结果表明:所有Ni3Nb-X相均具有机械稳定性、本征韧性和弹性各向异性;使γ"-Ni3Nb相弹性模量增加最大的元素是W,其次是Os,Ta和Mo;使γ"-Ni3Nb相弹性模量降低最大的元素是Y,其次是Cr和Sc;元素Pd、Hf、Zr、Y、Mn和Sc会降低γ"-Ni3Nb相的硬度。（3）结合准谐波德拜模型和应力-应变法,研究了 γ"-Ni3Nb和Ni3Nb-X（X=W、Mo、Ti、Fe和Cr）相的热力学性质和高温力学性质;从电子结构角度解释了温度弱化弹性力学性能的微观机制。研究结果表明:Fe和Cr使γ"-Ni3Nb相在整个温度范围（0-1000 K）更容易膨胀;温度使γ"-Ni3Nb及Ni3Nb-X相的力学性质降低、弹性各向异性减弱;W始终利于提高γ"-Ni3Nb相的弹性性质;高温下γ"-Ni3Nb相仍保持本征韧性;Nb-Ni和X-Ni原子间的电子离域是导致γ"-Ni3Nb及Ni3Nb-X相高温力学性质降低的原因。（4）量化了 γ"-Ni3Nb 相沿[001]、[100]、[221]和（112）[111]晶向的应力-应变关系、理想拉伸强度、理想剪切强度;分析了元素W、Mo、Ti、Fe和Cr掺杂对γ"-Ni3Nb相的力学特性的影响。结果表明:γ"-Ni3Nb相的理想拉伸强度中,沿[001]晶向最大而沿[221]晶向最小;沿（112）[111]晶向的理想剪切强度小于沿各晶向的理想拉伸强度;元素掺杂会普遍降低γ"-Ni3Nb相的理想强度,而Fe有利于提高其理想剪切强度。
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