B2相FeAl合金室温氢脆理论研究现状

蓝春香，朱甜霞

（南宁学院 通识教育学院，广西 南宁 530000）

Fe-Al金属间化合物由Fe原子和Al原子按不同比例组成的化合物，具有显著的金属结合键。如Fe-Al相图1所示，室温下当Al原子的组分为33%～51%是B2结构，密度为5.56 g/cm3，具较宽的成分范围和相稳定性。B2相的FeAl金属间化合物由于其长程有序、反常的屈服行为、独特的物理化学性能及价格低廉的特点备受关注，是航空和中高温结构材料极具开发潜力的新材料。然而， FeAl金属间化合物存在室温脆性大、高温抗蠕变性能差、强烈的Kirkendall效应等尚未实现大规模的工业应用。

近年来，尽管实验对其性能及应用的研究业已取得了一定的成果，但限于高昂的实验成本、高精度的原位测量技术及对材料性能超高的要求，现有的实验条件及技术仍然存在许多的局限性。随着计算材料科学的兴起，通过第一性原理、分子动力学及固体与分子经验电子理论等模拟方法从原子层面上分析FeAl合金室温脆性机理已成为FeAl力学性能研究的热点。

1 B2相FeAl脆性机理

张建民[1]等基于固体与分子经验电子理论计算了FeAl金属间化合物的价电子结构和键能，分析了电子分布和晶体键络特性与室温脆性的关系。

研究表明：Fe-Al呈脆性的主要因素是合金中的晶格电子数较α-Fe的少，采用含晶格电子数多的组元进行合金化，可以提高Fe-Al的塑性。Painter[2]基于第一性原理研究了FeAl合金的氢脆机理，结果表明：H原子的存在使得FeAl晶格膨胀，并伴随着内聚强度的显著降低。氢脆机理源自Fe原子向H原子转移电荷引起的d轨道电荷的耗尽。Gallouze[3]基于从头算方法对H原子在B2-FeAl上的吸附和吸收进行了系统研究，结果表明：富Al的完整体系中，H原子占据八面体间隙较为稳定。存在Al空位和Al反位结构的B2-FeAl较完整体系更易于吸收H原子，被B2-FeAl体系吸收后的H原子与Al原子形成更强的键，Fe-Al键和Fe-Fe键均大幅度锐减（分别为41.5%、34.5%）。表面吸附及扩散研究表明：H原子通常吸附在(001)和(110)面，且倾向于通过(110)面扩散到体相内。Zhang等[4]研究了B2-FeAl中{100}平面堆垛层错上的H累积行为。发现：{100}SF可以捕获H原子，被捕获的H充当H气泡的成核位点。在H原子面密度高达5.9×1015/cm2个原子时，H原子重新结合成H2。H气泡随H原子数量的增加逐渐生长，产生3.4 GPa的氢气压力，拉长Al-Al键，最终形成裂纹。俞泽民等[5]基于从头算量子力学，通过CASTEP包对B2-FeAl合金H原子掺杂前后的电子结构进行模拟。计算结果表明：在B2-FeAl晶体中，Al原子的sp杂化轨道具有较强的方向性，参与FeAl之间的pd极化键，最终导致晶体的脆性。当FeAl体系中H原子掺杂浓度为1.82%时，H原子近邻的Al原子晶格电子转化为共价电子，与H原子成键，使晶体内局域金属性下降，在晶体内部形成具有明显各向异性的键络，加速晶体解理。黄广棋[6]等基于密度泛函理论，对B2-FeAl表面和体相的氢行为开展第一原理计算研究。指出水分子的解离反应可在室温下自发发生，验证了Fe原子对表面水分子解离反应不可或缺的催化作用。探究铁铝内部空位-氢复合体系的团簇化现象，提出了各向同性氢化空位致FeAl氢脆的机制：H原子进入FeAl促生大量Fe空位，并在＜100＞向和｛100｝面的不断聚集产生的线状或平面状的团簇，从而成为FeAl裂纹和起泡的形核中心，最终导致FeAl金属间化合物的氢脆效应。

2 B2相FeAl微合金化

FeAl金属间化合物的室温脆性严重阻碍了它的应用，通过微合金化提高韧性是改善其室温脆性的主要方法之一。基于密度泛函理论的第一性原理研究是微合金化理论研究的根本。Liu[7]应用Recursion方法和紧束缚键模型计算了FeAl合金中＜110＞和＜121＞反相畴界的电子结构及加入微合金化元素Cr的效应，给出了体系的电子态密度、原子间相互作用能和反相畴界（APB）能。讨论了FeAl合金中加入铬对合金的反相畴界能和物理性质的影响。计算结果表明，加入Cr后可以降低FeAl合金的反相畴界能，提高合金的塑性。同时，Cr加入到APB面上还可增强原子间相互作用，从而增强FeAl合金的断裂强度。Yan[8]研究了B在B2相FeAl[100](010)边缘位错核中的偏析。结果表明：B能以间隙固溶的方式偏析到膨胀区域，并且能在膨胀和压缩区域取代Al桥连在一起成为团簇。Fuks[9]等采用WIENK软件包，GGA交换关联函数，研究了分别添加Cr、V及Ni对B2-FeAl的热力学稳定性，确定了合金组元的优先占位及空位形成情况。结果表明：在无缺陷B2-FeAl中，V、Cr较倾向于占据Al位，而Ni较倾向于占据Fe位，Ni合金对相的稳定性具有显著的影响，其次是V、Cr。赵荣达[10]基于密度泛函理论研究稀土元素微合金效应对B2型Fe8Al8有序金属间化合物晶体结构、弹性和电子性能的影响。研究指出：稀土元素能够稳定存在于B2相FeAl中，（La、Ac、Sc、Y）的加入使其点阵常数有所增加，且通过改变Fe和Al之间的电子杂化作用，降低了Fe-d轨道电子在费米能级处的态密度值。Fe8Al8微合金化在一定程度上改善了其塑性，降低熔化温度，同时硬度略有所下降。陈煜[11]研究合金元素（Cr，Mo和W）对B2型FeAl金属间化合物晶体结构、电子结构的影响，从固溶键合的角度揭示合金元素对力学性能影响的机制。结果表明：Cr、Mo和W的加入均提升了合金的体模量、剪切模量和弹性模量，改善了FeAl的脆性，其中Mo的加入对FeAl的脆性改善作用最大。合金元素改善FeAl脆性的微观机理为：合金元素原子以d轨道电子为主参与FeAl金属间化合物的电子杂化，增强了FeAl合金的结合能力；同时增加电荷的转移量，增强原子间的离子键，提高合金的稳定性。

3 展望

迄今，对B2-FeAl的理论研究已取得一定的成效。基于第一性原理计算、Miedema理论、固体分子经验电子理论、微观相场等能够从微观及宏观层面上揭示合金的力学性能、室温脆性机理及合金相作用机理，从而在一定程度上预测材料的性能，对实验具有重要的指导意义。然而，基于各类模拟条件的限制，距离实现合金材料功能化、生产工业化仍有很大的距离。因此，我们需要继续完善基础理论和计算方法，为B2-FeAl合金的制备与应用提供更为精确的工艺参数。