● 摘要
B2-NiAl金属间化合物具有熔点高、密度低、导热性好、抗氧化性好等一系列优点，有望成为新型的高温结构材料，但其较差的室温塑性和较低的高温强度严重阻碍了它的实用化。近年来，很多研究采用Cr合金化方法，改变这种金属间化合物的电子结构、结合键的类型以及长程有序化的程度等，来改善B2-NiAl 的力学性质。在合金化过程中发现轻元素原子的占位对NiAl的性能有重要影响。本文采用基于密度泛函理论的第一原理方法，系统地研究轻元素H、B、C、N、O、P、S的原子在NiAl和Cr中的占位及对NiAl和Cr键合性质的影响规律，以及O原子对NiAl/Cr界面结合的影响。1) 建立NiAl和Cr中掺入H、B、C、N、O五种原子的2×2×2共包含17个原子的计算模型。计算了H、B、C、N、O五种原子在NiAl和Cr中杂质形成能，得到了五种原子在NiAl和Cr中的占位规律。NiAl体系中H、C原子优先占据富Al的八面体间隙，杂质形成能分别是-2.365eV和-6.305eV，B、N原子优先占据富Ni的八面体间隙，杂质形成能分别是-4.337eV和-6.556eV，O原子优先占据四面体间隙，杂质形成能是-5.538eV；Cr体系中H原子优先占据四面体间隙，杂质形成能为-2.605eV，B、C、N、O原子优先占据八面体间隙，杂质形成能分别为-4.807eV、-7.647eV、-7.708eV、-4.891eV。H、B、C、N四种原子在Cr体系中更稳定，O原子在NiAl体系中更稳定。2)分别计算了电荷集居数、交迭集居数和态密度。五种原子进入体系都得到电子，并且在NiAl体系Al原子失电子能力增强，Ni原子得电子能力减弱。杂质原子与基体原子之间形成共价键，对基体的电子结构有显著的影响。3) 建立了P、S原子在NiAl和Cr中间隙占位和替代占位的2×2×2模型，计算了杂质形成能，间隙占位时，P、S原子优先占据NiAl中的富Ni的八面体间隙和Cr中的八面体间隙，NiAl体系中杂质形成能分别为-1.970eV、-0.444eV，Cr体系中分别为-1.702eV、-0.308eV，替代占位时，在NiAl中，P、S优先替代Al位，杂质形成能分别是-4.514eV和-4.224eV；在Cr中，杂质形成能分别是-0.858eV和-0.057eV。在两种占位模式中，P、S在NiAl中更稳定。NiAl体系中，P、S优先替代占位，Cr体系中P、S优先间隙占位。4) 计算了两种占位方式模型的结构变化、电荷集居数、交迭集居数和态密度。发现P、S原子与周围的基体原子成共价键，对基体电子结构有显著的影响。5) 建立NiAl/Cr界面模型，计算了界面结合能、电荷集居数，界面结合能为4.252J/m2，界面处Ni原子得电子，Al原子失电子。6) 建立O原子掺杂NiAl/Cr模型，计算了杂质形成能和界面结合能，发现O原子的稳定位置有两个，Ni2Al1Cr3的八面体间隙和Ni1Al2Cr3的八面体间隙，其界面结合能分别是1.148 J/m2和3.282 J/m2，O原子进入使界面结合有明显减弱。O在界面处的最稳定的杂质形成能是-5.771eV，与体材料的-5.538eV相比，O原子在界面处比在体材料内部更稳定。计算了电荷集居数、交迭集居数和态密度。O对界面的电子结构有显著的影响
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