近日，哈尔滨工业大学材料学院陈国庆教授、冷雪松教授联合伦敦玛丽女王大学
Chinnapat Panwisawas
教授等在金属材料领域顶级期刊《
Acta Materialia
》发表研究论文，题为
‘‘Uncovering the fracture mechanism of Laves (1 1 1)/ Ni
6
Nb
7
(0 0 0 1) interfaces by first-principles calculations’’
。哈尔滨工业大学为第一完成单位，哈尔滨工业大学张戈博士和陈国庆教授为共同第一作者，陈国庆教授和冷雪松教授为论文共同通讯作者。
这一研究工作基于
Nb
与
GH3128
电子束焊接，从原子尺度揭示焊缝靠近
Nb
母材金属一侧
Laves/Ni
6
Nb
7
界面反应层的断裂行为，以及界面原子键合对界面结合的影响，为
Nb
与
GH3128
电子束焊接工艺优化提供了理论指导。
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2024.120426
研究团队采用透射电镜确定了
Nb
与
GH3128
电子束焊接接头焊缝靠近
Nb
母材金属一侧
Laves / Ni
6
Nb
7
界面反应层结构及位向关系。采用第一性原理计算方法系统构建了
Laves (1 1 1)/ Ni
6
Nb
7
(0 0 0 1)
界面反应层模型。研究发现：具有不同初始表面终端和界面原子构型的
Laves (1 1 1)/Ni
6
Nb
7
(0 0 0
1)
界面在结构弛豫过程中会发生界面重构，提高界面稳定性。界面重构会使初始界面间距变小，界面粘附功增大。界面间距变小有助于缩短界面原子键长，改善界面原子间相互作用。界面粘附功的增大在一定程度上有助于提高
Laves (1 1 1)/Ni
6
Nb
7
(0 0 0
1)
界面结合强度。
研究团队通过原子级别第一性原理拉伸实验，发现所有
Laves (1 1 1)/Ni
6
Nb
7
(0 0 0
1)
界面模型均沿着界面或界面附近区域断裂，这主要是因为界面区域的
Nb-Ni
原子键键合较弱，在拉伸过程中，
Nb-Ni
原子键会先于界面失效，导致界面承载能力下降，界面强度因此而降低。
COHP
和
ICOHP
分析表明，
Laves (1 1 1)/Ni
6
Nb
7
(0 0 0
1)
界面主要依靠金属键结合。界面上的所有垂直于界面的所有的化学键都有助于改善
Laves (1 1 1)/Ni
6
Nb
7
(0 0 0
1)
界面结合。
Laves (1 1 1)/Ni
6
Nb
7
(0 0 0
1)
界面的结合强度与垂直于界面的原子键类型密切相关，其中
Nb-Nb
键与
Nb-Cr
键键合强度较高，并且远高于
Nb-Ni
键。
Nb-Ni
键会削弱
Laves (1 1 1)/Ni
6
Nb
7
(0 0 0
1)
界面的结合力，使
Laves
和
Ni
6
Nb
7
两相结合区域成为整个界面反应层最为薄弱的区域，从而对
Nb/GH3128
焊接接头力学性能产生不利影响。
图
1
（
a
）
Nb/GH3128
电子束焊接接头焊缝靠近
Nb
母材一侧
Laves / Ni
6
Nb
7
界面反应层明场像
;
（
b
）
Laves / Ni
6
Nb
7
界面反应层高分辨图像；（
c
）图（
b
）
橙色区域放大图
图
2
基于
(1 1 1)Laves//(0 0 0 1) Ni
6
Nb
7
位向关系构建的具有
Nb(Cr)
终端的
Laves
表面和具有
Nb(Nb)
终端的
Ni
6
Nb
7
表面构成的
Laves (1 1 1)/ Ni
6
Nb
7
(0 0 0 1)
界面模型：（
a
）
Laves
表面最外层的
Nb
原子位于
Ni
6
Nb
7
表面相邻
Nb
原子连线中点的
bridge
位点；（
b
、
c
）
Laves
表面最外层的
Nb
原子分别位于
Ni
6
Nb
7
表面三个
Nb
原子围成的两个不同的
hcp
位点；（
d
）
Laves
表面最外层的
Nb
原子位于
Ni
6
Nb
7
表面
Nb
原子正上方的
top
位点
图
3
（
a-c
）
CrNi-Laves/X-Ni
6
Nb
7
界面粘附功与界面间距关系曲线；（
d-f
）
NbCr-Laves/X-Ni
6
Nb
7
界面粘附功与界面间距关系曲线。
图
4
（
a
）拉伸过程中
Nb(Ni)-Laves/Nb(Nb)-hcp-Ni
6
Nb
7
界面电子局域函数云图；（
b
）拉伸过程中
Nb(Cr) -Laves /Nb(Nb)-hcp-Ni
6
Nb
7
界面电子局域函数云图
图
5
不同界面中垂直于界面的化学键的平均
-ICOHP
值与平均化学键长关系图
