袁　江，　宋新華，　孫甲堯，　龔　航

(1.張家界航空工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 航空維修工程系， 湖南 張家界 427000； 2.湖南大學(xué)汽車車身先進設(shè)計制造國家重點實驗室， 長沙 410082)

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過渡金屬元素X(X=W,Mo,Cr)對RuAl合金抗氧化性影響的機理

袁江1,2，宋新華1,2，孫甲堯1，龔航1

(1.張家界航空工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 航空維修工程系， 湖南 張家界 427000； 2.湖南大學(xué)汽車車身先進設(shè)計制造國家重點實驗室， 長沙 410082)

基于密度泛函理論的第一性原理，通過計算RuAl合金氧化物Al2O3和RuO2的氧化能，考察過渡金屬元素X(X=W，Mo，、Cr)加入到RuAl合金后的占位及對氧化物Al2O3和RuO2的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響。研究表明：經(jīng)過渡金屬元素X合金化后，Al2O3和RuO2的氧化能均有所增大，增大Al2O3氧化能的順序為：W>Mo>Cr；增大RuO2氧化能的順序為：Mo>Cr>W，且RuO2氧化能增大幅度大于Al2O3。通過態(tài)密度、電荷密度等因素的分析，闡明了W對提高RuAl抗氧化性能的根本原因是降低了Al-O和Ru-O的共價鍵特性，增加了Al-O和Ru-O的離子鍵特性；金屬元素X(X=W，Mo，Cr)可阻礙RuAl金屬化合物發(fā)生內(nèi)氧化過程，有利于在RuAl表面層的橫向方向上形成連續(xù)性致密的Al2O3氧化層。

RuAl；第一原理；抗氧化性能；穩(wěn)定性；氧化能

航空材料是三大航空關(guān)鍵技術(shù)之一，也是對航空產(chǎn)品發(fā)展有重要影響的六項技術(shù)之一[1]。雖然航空材料的發(fā)展主流是復(fù)合材料，但從目前實際使用情況來看，金屬材料仍是首選，其中金屬間化合物材料起著越來越重要作用。RuAl合金同樣屬于金屬間化合物，同時因其具有熔點高(約2323K)、高溫強度大、抗腐蝕能力強、室溫塑性好等特點，較TiAl等金屬間化合物具有更好的力學(xué)性能和應(yīng)用前景，備受材料界關(guān)注。但其較差的高溫抗氧化性能制約了RuAl的實際應(yīng)用。

大量文獻報道，RuAl合金與過渡金屬合金化時會強烈影響其力學(xué)性能。Shuo等[2]發(fā)現(xiàn)合金化元素W，Os，Si等對改善B2-RuAl金屬間化合物的彈性模量、合金延展性能以及脆性/韌性行為等方面有良好的作用效果。Takahashi等[3]研究表明在RuAl中摻雜適當(dāng)?shù)腇e，Mn與Si含量可以提高其力學(xué)性能。Ge等[4]研究發(fā)現(xiàn)Ce，Pr，Nd，Sm等合金化可提高RuAl的合金延展性能和脆性/韌性行為。Soldera等[5]發(fā)現(xiàn)致密Al2O3的規(guī)模是B2-RuAl化合物具有高熱力學(xué)穩(wěn)定性和良好的抗氧化性能的主要原因?？梢姡芯恐饕性诤辖鸹瘜uAl的力學(xué)性能和氧化過程的影響機制上，而對其抗氧化性能影響的機理研究卻很少。

由于RuAl與TiAl具有相同的晶體結(jié)構(gòu)和兩種相似的氧化產(chǎn)物(Al2O3+RuO2/Al2O3+TiO2)，對RuAl抗氧化性能的研究可借鑒TiAl的研究方法和手段。綜合分析TiAl抗氧化性能的相關(guān)文獻[5-9]，發(fā)現(xiàn)合金化提高TiAl抗氧化性能的核心是阻止“內(nèi)氧化行為”。與TiAl比較，發(fā)現(xiàn)RuAl中的Ru和Al同樣屬于氧化活性高的元素，在RuAl表面容易形成氧化層Al2O3和RuO2[7]。但在RuAl的氧化過程中氧化產(chǎn)物Al2O3和RuO2的產(chǎn)生與形成是否也同樣存在競爭，導(dǎo)致其表面氧化層具有明顯的層狀結(jié)構(gòu)；合金化對RuAl抗氧化性能影響的核心是否在于“內(nèi)氧化行為”的影響，目前尚未見有相關(guān)報道。同時，由于過渡金屬元素W，Mo，Cr具有高熔點、耐高溫、抗氧化性好等優(yōu)點[8]，并在TiAl，NiAl等金屬間化合物中的提高抗氧化性能方面已經(jīng)得到科學(xué)驗證。因此，本研究采用密度泛函理論的第一性原理，研究過渡金屬元素X(X=W，Mo，Cr)合金化對RuAl抗氧化性能的影響，揭示RuAl的表面氧化產(chǎn)物Al2O3和RuO2之間的微觀機理，具有十分重要的研究價值。

1　計算模型與方法

構(gòu)建RuO2晶胞模型如圖1(a)，Al2O3晶胞模型如圖1b[9]。為了考察過渡金屬元素X(X=W，Mo，Cr)合金化摻雜對RuAl抗氧化性能影響，用過渡金屬元素X(X=W，Mo，Cr)替代超胞模型中心的一個Ru或Al原子，構(gòu)成(2×2×3)超胞模型Ru23XO48如圖1(c)和(2×2×2)超胞模型Al31XO48如圖1(d)[10]。計算采用基于密度泛函理論的第一原理贗勢平面波方法(CASTEP)總能計算軟件包[11],采用周期性邊界條件，晶體波函數(shù)由平面波基組展開。各項參數(shù)計算之前，先用BFGS方法進行晶體幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化[12]，以求得到晶體的最穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。計算時，交換關(guān)聯(lián)能采用廣義梯度近似(GGA)中的PBE形式進行修正[11]，動能截斷點取360.0eV，K點網(wǎng)格數(shù)取6×6×6，自洽計算(SCF)時采用Pulay密度混合法[13]，體系總能量的收斂值取2.0×10-5eV/原子，每個原子上的力低于0.01eV/nm，公差偏移小于2.0×10-2nm，應(yīng)力偏差小于0.1GPa。

圖1　結(jié)構(gòu)計算模型Fig.1　About the calculation of structure model(a)RuO2； (b)Al2O3； (c)Ru23WO48； (d)Al31WO48

2　計算結(jié)果分析與討論

2.1晶格參數(shù)

通過幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，得到平衡晶格參數(shù)見表1。

表1　計算模型的平衡晶格參數(shù)Table 1　Calculated equilibrium Lattice parameters

由表1可知計算值與對應(yīng)的實驗值[5,8-10]比較吻合，表明本研究所選的計算模型、計算條件與計算參數(shù)等的設(shè)計均是合理的。

2.2占位分析

為探討過渡金屬X(X=W，Mo，Cr)合金化元素摻雜RuAl合金中的替代行為，通過計算能量轉(zhuǎn)移來討論摻雜合金化元素原子在RuAl晶格中占據(jù)Al位還是占據(jù)Ru位。本研究通過公式(1)計算了合金化元素X轉(zhuǎn)移需要的能量E(Al→Ru)[5]。

E(Al→Ru)=E(Al8Ru7X)-

E(Al8Ru7X)+E(RuAl)

(1)

式中：E(Al8Ru7X)和E(Al8Ru7X)分別表示過渡金屬合金元素X占Ru位和Al位時的能量；E(RuAl)=E(Ru9Al7)-E(Ru8Al8)表示超胞Ru8Al8中Ru替代Al的反位缺陷能量；根據(jù)Ruban和Skriver提出的方法[6]：E(Al→Ru)+E(Ru→Al)=E(RuAl)+E(AlRu)=EAntisite。如果E(Al→Ru)<0，表示合金元素X占Ru位；如果E(Al→Ru)>EAntisite，表示合金元素X占Al位；如果0

表2　轉(zhuǎn)移需要的能量E(Al→Ru)及占位情況Table 2　Transfer energy E(Al→Ru) and site preference of the ternary additions in RuAl alloy

2.3氧化能

氧化能可以考察氧化物的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性[11]。一般情況下，氧化能為負值，其絕對值越小，則其氧化物的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性越差。經(jīng)過計算，Al2O3的氧化能為-11.43eV，實驗值為-11.58eV[3-6]；同理計算出RuO2的氧化能為-2.28eV，實驗值為-2.29eV[3-6]。比較發(fā)現(xiàn)，計算值與實驗值比較吻合。同時，Al2O3的氧化能絕對值(11.43eV)比RuO2的氧化能的絕對值(2.28 eV)要大得多，說明Al2O3比RuO2有更穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。RuO2的氧化能為-2.28eV，數(shù)值相對于0值相差不大，體現(xiàn)出在高溫下，結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性，容易發(fā)生分解；對于RuAl合金的抗氧化能力而言是不穩(wěn)定的存在。同時Al2O3的氧化能為-11.43eV，數(shù)值遠大于0值， Al2O3在高溫下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好。綜合發(fā)現(xiàn)，RuAl合金的抗氧化能力主要依靠一定規(guī)模的Al2O3來實現(xiàn)。

為探討合金化對Al2O3和RuO2相對穩(wěn)定性的影響，計算X(X=W，Mo，Cr)合金化后，X-Al2O3的氧化能分別是：-10.82eV，-10.94eV，-11.36eV；X-RuO2的氧化能分別是：-1.98eV，-1.47eV，-1.62eV，見圖2。分析發(fā)現(xiàn)，X合金化摻雜后，使Al2O3和RuO2氧化能的絕對值都減少，對應(yīng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性則降低，從而提高RuAl的抗氧化能力。其中，使Al2O3氧化能增加的順序為：W>Mo>Cr；使RuO2氧化能增加的順序為：Mo>Cr>W。

進一步分析，氧化物Al2O3和RuO2在合金化前后之間的氧化能差值[11]，其差值越小，對應(yīng)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性越小，則其抗氧化能力越差。分析計算結(jié)果見圖3。結(jié)果顯示，X(X=W，Mo，Cr)合金化后，X-Al2O3和X-RuO2氧化能差值均對小于0，表明W，Mo，Cr的合金化都可以提高RuAl合金的抗氧化能力。比較發(fā)現(xiàn)，W的合金化前后，Al2O3氧化能差值為0.61eV，大于RuO2氧化能差值0.3eV。計算數(shù)值表明，Al2O3穩(wěn)定性降低比RuO2穩(wěn)定性降低更加明顯。W合金化可以降低其表面氧化物的氧化能，達到抑制氧化物Al2O3的晶體轉(zhuǎn)變條件，從而生成層間化合物[4]，有利于提高RuAl合金的抗氧化性。進一步分析圖3，發(fā)現(xiàn)W使合金化前后的Al2O3氧化能差值最大，說明W的加入對提高RuAl合金的抗氧化能力效果最好。

圖2　合金化對氧化物氧化能的影響Fig.2　Effect of alloying on the oxidation energyies of oxide

圖3　合金化對氧化物的氧化能差值Fig.3　Comparison of different values of oxidation energy after alloying

2.4態(tài)密度

態(tài)密度反映了單位能量間隔內(nèi)電子可能的狀態(tài)數(shù)，對于分析材料中原子間成鍵和材料特性有重要的意義[14]。Al2O3態(tài)密度曲線如圖4(a)所示，RuO2態(tài)密度曲線如圖4(b)所示。分析圖4(a)，Al2O3價帶部分主要是由O(p)軌道和Al(s)軌道及其少量的Al(p)軌道構(gòu)成。Fermi能級(EF)[12]附近存在6.92eV的能隙(+0.23～+7.15eV區(qū)間)和8.87eV的能隙(-6.91～-15.78eV區(qū)間)，能隙的存在主要是由Al-O電子共價雜化形成，能隙越寬意味著電子雜化程度越強烈，對應(yīng)的物質(zhì)越穩(wěn)定。分析圖4(b)，RuO2價帶部分主要是由O(p)軌道和Ru(d)軌道及其少量的Ru(s)軌道構(gòu)成，F(xiàn)ermi能級(EF)[12]附近存在6.75eV的能隙(-9.92～-16.67eV區(qū)間)，能隙的存在主要是由Ru-O之間的電子共價雜化形成。比較Al2O3與RuO2的能隙發(fā)現(xiàn)，Al2O3的能隙要大一些，說明Al2O3比RuO2電子共價雜化現(xiàn)象更加強烈，具有更穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。

圖4　W合金化前后Al2O3和RuO2態(tài)密度Fig.4　Total and partial density of states of Al2O3 and RuO2(a) Al2O3； (b) RuO2； (c) W-Al2O3； (d) W-RuO2

根據(jù)2.3節(jié)的結(jié)果，W化對提高RuAl合金的抗氧化能力的效果最好。進一步分析W合金化對Al2O3和RuO2氧化能的影響，建立W元素替代Al2O3中的Al后態(tài)密度如圖4(c)和W元素替代RuO2中的Ru后態(tài)密度如圖4(d)。分析圖4(c)發(fā)現(xiàn)，W替代Al后Al2O3的態(tài)密度基本上沒有什么變化，但通過計算能隙發(fā)現(xiàn)，6.92eV的能隙減少了0.33eV，8.87eV的能隙減少了0.15eV。能隙的減少，降低了Al2O3的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，這與2.3節(jié)的結(jié)果是一致。分析圖4(d)發(fā)現(xiàn)，W替代Ru后RuO2的態(tài)密度，在能量-40eV附近出現(xiàn)了一個新的摻雜能級，新能級主要來自于W的貢獻和少量O的貢獻。同時，對應(yīng)的費米能級EF產(chǎn)生向低能級方向移動，表明W使Ru-O鍵的強度減弱，從而導(dǎo)致RuO2結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性降低。上述分析發(fā)現(xiàn)，W合金化降低Al2O3和RuO2結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的根本原因是降低了Al-O和Ru-O的共價鍵特性，增加了Al-O和Ru-O離子鍵特性。

2.5抗氧化性能的影響機理

分析本文2.3節(jié)的計算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過渡金屬元素X合金化后，Al2O3和RuO2的氧化能均有所增大，增大Al2O3氧化能的順序為：W>Mo>Cr；增大RuO2氧化能的順序為：Mo>Cr>W，且RuO2氧化能增大幅度大于Al2O3。這樣便抑制了氧化物Al2O3發(fā)生晶體轉(zhuǎn)變而生成層間化合物，有利于提高RuAl合金的抗氧化性。

這與Li等[15]的研究是一致的。Li等認(rèn)為內(nèi)氧化是合金體系氧化過程的主體，影響合金抗氧化性主要是由于合金化影響合金化體系的內(nèi)氧化過程。即在合金的氧化過程中，氧原子擴散至合金基體內(nèi)，與合金基體中的親氧元素原子發(fā)生氧化反應(yīng)，這樣在合金基體內(nèi)部發(fā)生氧化反應(yīng)而生成新的氧化物，而不是在合金基體的表面生成氧化物?？梢?，過渡金屬X(X=W，Mo，Cr)合金化對Al2O3和RuO2相對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響與其對RuAl抗氧化性影響存在著對應(yīng)關(guān)系。

氧化物相對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與RuAl抗氧化性的對應(yīng)關(guān)系主要是由于合金化影響了合金RuAl體系的內(nèi)氧化過程。內(nèi)氧化是2種以上組分的合金體系氧化過程的重要組成部分[16]，在內(nèi)氧化的氧化過程中，O原子擴散到合金基體內(nèi)，并與合金基體中較活潑組元產(chǎn)生氧化反應(yīng)，在合金基體內(nèi)部而非表面產(chǎn)生氧化反應(yīng)，導(dǎo)致氧化反應(yīng)生成氧化物。借鑒TiAl的研究結(jié)果和RuAl的相關(guān)文獻[3-4,6-8]報道，RuAl金屬化合物存在內(nèi)氧化過程的發(fā)生條件，存在著內(nèi)氧化的氧化反應(yīng)，并在RuAl合金內(nèi)發(fā)生內(nèi)氧化過程的同時，靠近合金基體的外表面處產(chǎn)生并形成氧化產(chǎn)物Al2O3，此處形成的Al2O3是垂直于基體的表面，如圖5(a)，不利于形成連續(xù)致密的Al2O3氧化層，未能有效的阻礙O原子的繼續(xù)向RuAl基體內(nèi)部的擴散行為，不能阻礙RuAl基體內(nèi)部的進一步發(fā)生氧化反應(yīng)。如果不發(fā)生內(nèi)氧化，則表面層的Al2O3只有在界面的橫向方向上生成與發(fā)展。這樣，再次發(fā)生氧化反應(yīng)時，就可以把縱向方向的間隙填足，在表層界面的橫向方向上形成連續(xù)性致密的Al2O3氧化層，如圖5(b)?？梢姡瑑?nèi)氧化是阻礙縱向保護表面的Al2O3氧化層形成與發(fā)展的主要原因，提高RuAl抗氧化性的關(guān)鍵是防止RuAl金屬化合物中的Al發(fā)生內(nèi)氧化行為。本文2.3與2.4節(jié)的分析發(fā)現(xiàn)，X(X=W，Mo，Cr)合金化RuAl可降低合金基體內(nèi)部的Al2O3穩(wěn)定性，阻礙生成內(nèi)氧化過程的生成條件，減少了垂直于表層界面的Al2O3的形成，促使表層界面的橫向方向上Al2O3氧化層的成長，形成連續(xù)性致密的Al2O3氧化層。因此，X合金化提高RuAl抗氧化性是合理的。

圖5　不同生成環(huán)境下Al2O3的反應(yīng)示意圖(a)內(nèi)氧化；(b)外氧化[10]Fig.5　Schematic diagram of reaction of Al2O3 under the environment of different generation(a)internal oxidation； (b) external oxidation[10]

3　結(jié)論

(1)通過氧化能的計算分析發(fā)現(xiàn)：Al2O3和RuO2的氧化能均為負值，且Al2O3氧化能絕對值比RuO2的要大，說明Al2O3比RuO2具有更穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

(2)經(jīng)過渡金屬元素X合金化后，Al2O3和RuO2的氧化能均有所增大，增大Al2O3氧化能的順序為：W>Mo>Cr；增大RuO2氧化能的順序為：Mo>Cr>W，且RuO2氧化能增大幅度大于Al2O3。這樣便抑制了氧化物Al2O3發(fā)生晶體轉(zhuǎn)變而生成層間化合物，有利于提高RuAl合金的抗氧化性。

(3)過渡金屬元素X降低了Al2O3和RuO2穩(wěn)定性的根本原因是：降低了Al-O/Ru-O鍵之間的共價特性，增加了Al-O/Ru-O鍵的離子鍵特性。比較而言，Al2O3的改變比RuO2的改變低更加明顯。

(4)過渡金屬元素X合金化提高RuAl抗氧化性的關(guān)鍵是防止RuAl合金中的Al發(fā)生內(nèi)氧化，阻礙生成內(nèi)氧化過程條件的生成。

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Transition Metal Elements X(X=W,Mo,Cr) Performance Impact Mechanism RuAl Antioxidant Study

YUAN Jiang1,2,SONG Xinhua1,2,SUN Jiayao1,GONG Hang1

(1.Zhangjiajie Aviation Industry Vocational Technical College, Zhangjiajie 427000, Hunan China; 2.State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing for Vehicle Body,Hunan University, Changsha 410082, China)

Based on the first-principles density functional theory, the placing in the RuAl alloy and the stability effect of the transition metal elementsX(X=W, Mo, Cr) on the structure of the oxides Al2O3and RuO2were investigated through the calculation of the oxidation energy of the oxides Al2O3and RuO2of RuAl alloy.It is found that the oxidation energy of Al2O3and RuO2is all increased after the alloying of the transition metalX.The sequence of the size increasing for the Al2O3oxidation energy is W>Mo>Cr. The sequence of the size increasing for the Al2O3oxidation energy is Mo>Cr>W. Among them,the best effect for increasing the anti-oxidation capability to the RuAl alloy is W alloying.Simulfaneously,the analysis of statu’s density and chargy density indicates that the basic reason for W alloying to increase the RuAl anti-oxidation performance is that the co-valent characteristics between the bonds Al-O/Ru-O are reduced,and the ionic band characteristics between the bonds Al-O/Ru-O are increased.Therefore,the alloying of the metal elementXcan promote the generation of the existing condition for the inner-oxidation process of RuAl metal oxidation,the continuous and dense Al2O3oxidation layer is formed on the transverse direction of RuAl surface.

RuAl;first principle; oxidation properties;stability; internal oxidation

2015-08-07；

2015-12-22

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)重點資助項目(2012AA111802)；湖南大學(xué)汽車車身先進設(shè)計制造國家重點實驗室自主課題(71075003)；張家界航空工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院資助項目(ZJJKT2014-008)

袁江(1978—)，男，碩士，副教授，從事高性能金屬材料、汽車輕量化材料設(shè)計與制造等研究，(E-mail)57121076@qq.com。

10.11868/j.issn.1005-5053.2016.1.001

TG146.3+8

A

1005-5053(2016)01-0001-06