B在B2-FeAl合金Σ5(310)界面扩散的理论研究

蓝春香 朱甜霞（南宁学院 通识教育学院，广西 南宁 530000）

金属间化合物是由金属与金属或金属与非金属之间按照不同的比例均匀混合而成的多元化合物，这类化合物的性能优于其组元单质的物理化学性能，具有较强的抗腐蚀性，是现今工艺生产过程中的一种新型结构材料。但在工艺生产加工过程中，合金会不可避免的与碳、氢、硫等元素发生反应，导致合金本身质量下降，而微量的硼（B）原子能显著提高合金的塑性及耐磨性，因此对B原子在B2-FeAl 合金Σ5(310)界面扩散的理论研究具有重要的指导意义。

1 模拟方法

该研究主要采用晶界模型如图1，通过EAM 势函数借助LAMMPS 对B2-FeAl 合金Σ5(310)界面的吸附与扩散在零温零压条件下进行模拟计算。该晶界模型中共有27 个原子层，由1728 个原子组成，倾斜角设置为36.9°，x、y 轴为非边界条件，z轴为边界条件，在z轴添加B原子，以研究吸附原子在界面上的性质，分析杂质扩散与迁移情况。

图1 B2-FeAl合金Σ5(310)晶界模拟

2 界面能

界面能是指在界面单位面积内对应的自由能增量。通过上图的晶界模拟，可以看出，晶界边界的原子从常规晶格中脱离而出，从而使晶格发生形变，体系能量对应增加，具体界面能可由以下表达式表示：

式中：Egb——界面总能量；

EB2-FeAL——FeAl化合物总能量；

A——界面面积

γgb——的量纲为J/m2

图2反映了Σ5(310)界面能与晶界原子层数的关系，从图中可以得出，当距边界的原子层数为13层时，Σ5(310)界面的结构较为稳定。

图2 Σ5(310)界面能与晶界原子层数的关系

3 界面上原子的扩散机制

考虑到界面结构相对较为特殊，因此，在研究杂质原子在B2-FeAl合金Σ5(310)界面扩散的过程中，分析了五种扩散路径，如图3 所示，（a）（b）分别表示杂质原子沿五种不同路径扩散至Σ5(310)界面的Al1为与Fe1位的情况，路径1和路径3为同种原子等间距扩散，但与界面距离的角度来看，路径1离界面更近。反观路径2和路径4，这两个路径与路径1和路径3的扩散方式相反，呈原子反位扩散现象，从与界面距离的角度来看，路径4离界面较近。在这几种路径中，路径5表示的是杂质原子在界面上的扩散，且针对Al1位与Fe1位，根据周围环境的不同分有两种不同的扩散方式。

图3 杂质原子沿不同路径扩散至Σ5(310)界面的Al1位与Fe1位的情况

4 B 原子在B2-FeAl 合金Σ5(310)界面的扩散研究

参考上述分析中界面上原子的扩散机制分析，采用相同方法分别讨论B 原子沿不同路径扩散至Σ5(310)界面的Al1 位与Fe1位的情况。具体分析如下：

4.1 B原子扩散至Σ5(310)界面的Al1位的情况分析

在分析实验中，B原子是按照路径1和路径3这两个路径扩散至Al1位的，图4、图5分别为B原子由路径1和路径3扩散至Al1位的位移曲线，通过该曲线模拟可以看出，靠近界面的路径的扩散迁移能力较低，且在Al3 位扩散至Al2 位的过程中迁移能降到最低，与路径3 相比，路径1 的B 原子扩散至Al1 位的能力较低，说明化合物中存在B原子点缺陷。

图4 B原子沿路径1扩散至Al1位的能量位移曲线 图5 B原子沿路径3扩散至Al1位的能量位移曲线

依旧采用原方法研究B 原子沿路径2 和路径4 扩散至Al1位的能量位移曲线，如图6、图7所示，从图中可以看出，在B原子扩散过程中大部分扩散都是呈直线扩散的态势，只有路径2中Fe3至Al1位和Al5至Al1位，路径4中Al3至Al1位的扩散是呈弧线扩散状态，在这三种弧线扩散过程中，B原子都会先跳跃至近距离的Al2位，在借助Al2的缓冲跳跃到Al1位，因此，所对应的曲线图中会出现一个小峰。通过对路径2与路径4的扩散途径分析，得出B原子扩散机制均以反位扩散机制为主，且较容易由Fe位扩散至Al位。

图6 B原子沿路径2扩散至Al1位的能量位移曲线 图7 B原子沿路径4扩散至Al1位的能量位移曲线

B 原子沿路径5 的扩散与前述几种方法相同，位移曲线如图8所示，在该路径中出现了两种扩散现象，第一种出现了三个扩散能垒，呈“山峰”形扩散；第二种是弧形扩散形式，该形式在扩散过程中受相邻的2 个Al2 原子的作用。研究表明，在这两种扩散形式中，第一种扩散能力远弱于第二种，所以在Σ5(310)界面上，B原子沿路径5主要以第一种扩散形式为主。

图8 B原子沿路径5扩散至Al1位的能力位移曲线

4.2 B原子扩散至Σ5(310)界面的Fe1位的情况分析

依旧以5条路径为研究方向，采用上述方式，分析B原子沿这5条路径扩散至Fe1位的情况。如图9、图10分别为B原子沿路径1 和路径3 扩散至Fe1 位的位移曲线，对比图9、图10 的位移曲线，了解到B原子沿路径1中Fe4至Fe3的扩散迁移能力较高，Fe2 至Fe1 的扩散迁移能力相对较低；而在B 原子沿路径3扩散至Fe1中的整体迁移能力基本相同，这与周围原子作用力有一定联系，通过对比发现，B原子沿路径1扩散迁移的能力远低于沿路径3扩散迁移的能力。

图9 B原子沿路径1扩散至Fe1的位移曲线 图10 B原子沿路径3扩散至Fe1的位移曲线

如图11、12，分别为B 原子沿路径2 和路径4 扩散至Fe1 的位移曲线图，分析方式依旧采用上述方法，通过观察发现，在这两个路径中，B 原子的扩散迁移能力各不相同，路径4中Fe3至Fe1 位扩散过程中，位于Fe3 上的B 原子先跳跃至Al2 位，之后再从Al2 位借力跃至Fe1 位，该扩散过程是以第一近邻作为扩散机制进行的。路径2 中所表示的扩散机制与路径4 相似，也是以第一近邻为扩散机制。

图11 B原子沿路径2扩散至Fe1位的能量位移 图12 B原子沿路径4扩散至Fe1位的能量位移图

最后探讨B 原子沿路径5 扩散至Fe1 位的迁移情况，如图13 所示，在该扩散过程中与B 原子沿路径5 扩散至Al1 位的迁移情况类似，都是有两种形式的扩散方式。第一种扩散方式与扩散至Al1 位的形式相反，所以位移曲线也相反，总体也是呈“山峰”式扩散，在该扩散过程中B原子共受三组原子的作用力。第二种扩散方式为弧形，与第一种扩散不同的是，第二种扩散方式中B 原子只受临近的两个Al2 原子的作用力，扩散能力远超第一种，但基于Σ5(310)界面上的扩散，B 原子依旧以第一种扩散方式为主。

图13 B原子沿路径5扩散至Fe1位的能量位移曲线

5 结语

综上，通过对B 原子在B2-FeAl 合金Σ5(310)界面的扩散研究，得出结论：B原子在B2-FeAl合金Σ5(310)界面的取代中倾向占据AL2位，借助第一扩散机制从Fe晶格位扩散至Al晶格位。