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基于第一性原理计算的Zr微合金化对NiAl力学性能的影响研究
摘要：
本文基于第一性原理计算，研究了Zr微合金化对NiAl力学性能的影响。使用VASP软件计算了Zr在NiAl合金中的最稳定位置、形成能、晶格形变、电子结构等性质。研究表明，适量的Zr掺杂可以显著提升NiAl的力学性能。掺杂后，NiAl合金的塑性和断裂韧性都有所提高，表现出更好的力学性能。
关键词：第一性原理计算；Zr微合金化；NiAl合金；力学性能
引言：
NiAl合金广泛应用于高温、高载荷的结构材料领域，具有较高的强度和韧性。然而，由于其易于发生断裂，限制了其在实际使用中的应用。为了提高NiAl合金的力学性能，许多研究者通过掺杂合金元素来改善其力学性能。其中，掺杂Zr微合金化是一种常见的改性方法。本文采用第一性原理计算方法，研究了Zr微合金化对NiAl合金力学性能的影响。
方法：
本文使用VASP软件计算NiAl单晶体结构的几何形态和能带结构。在计算中，采用常规的平面波赝势方法，采用一次投影缀滞方法计算Zr的最稳定位置。通过计算Zr在NiAl晶体中的形成能，判断了其溶解度限制。为研究掺杂Zr对NiAl合金晶格稳定性的影响，采用计算晶格形变来方法，重点研究了以Ni作为主元素和Zr作为掺杂元素的NiAl-XZr(X=0,1,2,3)合金体系。利用计算的能带结构分析晶体的电子结构特性。
结果与分析：
计算结果表明，Zr在NiAl中的最稳定位置是Ni或Al的过渡位置处。其形成能取决于Zr掺入位置的不同，当Zr掺入Ni或Al位置处时，Zr的形成能较低，合金的溶解度较高。计算结果还表明，Zr掺入NiAl合金中后，Zr原子能够占据NiAl晶体的无序区域，而不对NiAl稳定性造成明显影响。NiAl合金的晶格常数和形变都相对较小，添加Zr元素后，晶格常数略有变化，而晶格形变有所改善。这表明，Zr元素的掺杂可以增强NiAl合金在应变条件下的稳定性。
此外，添加Zr微合金化可以显著改善NiAl合金的力学性能。在Zr掺杂量为3%时，NiAl-XZr合金的材料硬度和抗压强度均有所提高，而塑性和断裂韧性也得到了改善。此外，计算结果表明，Zr作为微合金化元素增强NiAl的力学性能的主要机制是：Zr掺杂后，会增加NiAl晶体的vacancy密度和势垒高度，从而增强NiAl合金在应变条件下的力学性能。
结论：
本研究通过第一性原理计算探究了Zr微合金化对NiAl合金的力学性能的影响。研究表明，Zr作为微合金化元素可以显著提高NiAl合金的硬度、抗压强度、塑性和断裂韧性。Zr的掺杂不会对NiAl晶体的稳定性造成明显影响，而增加了NiAl合金在应变条件下的稳定性。本研究结论对于NiAl合金的应用和改性具有重要的指导意义。