镍基高温合金表面早期氧化层的预测方法

本发明属于镍基高温合金表面氧化层预测，具体涉及一种镍基高温合金表面早期氧化层的预测方法。

背景技术：

1、镍基高温合金因其具有优异的物理、化学和机械性能，在工业生产制造和航空航天领域得到了广泛应用。镍基高温合金的制造和加工水平一直以来都是衡量国家科技发展水平的重要指标之一。在工业生产中，镍基高温合金的氧化行为是一个普遍存在的问题，并且随着科技的发展，愈加复杂和严苛的工况对镍基高温合金的抗氧化性能提出了更高的要求。通过提高镍基高温合金的抗氧化性能，可以延长装备的使用寿命，增强系统的安全性，拓宽材料的应用范围，因此镍基高温合金的抗氧化性能不容忽视。

2、镍基高温合金暴露在环境中，其表面与环境中的氧气发生氧化反应，在氧化早期，镍基高温合金的表面形成氧化层。镍基高温合金的成分与氧化环境的差异将导致镍基高温合金表面氧化层的成分、形貌及连续性等性质产生较大差异，氧化层的结构和组成将直接影响材料的力学性能和化学性能。初始氧化层的性质不仅影响材料后续的氧化行为，还直接决定了材料能否满足服役条件。深入了解镍基高温合金早期氧化层的性质，可以优化其性能，提高抗氧化性和延长使用寿命，因此需要对镍基高温合金表面的初始氧化层进行预测分析。

3、目前，有一些文献记载了镍基高温合金力学性能的预测方法，但是针对镍基高温合金表面早期氧化层成分和连续性的预测方法却很少，而且都没有考虑微观层面原子相互作用对早期氧化层的作用机理，因此需要开发一种镍基高温合金表面早期氧化层的预测方法，以解决现有技术存在的问题。

4、申请公布号为cn117457118a的发明专利公开了一种锻造温度下钛合金高温氧化层厚度的预测方法，该方法包括以下步骤：获取不同高温氧化条件与钛合金试样的高温氧化增重关系；建立不同高温氧化条件与钛合金试样的高温氧化增重关系；获取钛合金试样的高温氧化层厚度与氧化增重关系；建立高温氧化层厚度与单位面积氧化增重模型，从而计算得到不同高温氧化条件下对钛合金试样高温氧化层厚度的预测值，即实现了对不同高温氧化条件下钛合金试样高温氧化层厚度的预测。该技术方案是对钛合金高温氧化层厚度的预测，不是对镍基高温合金表面氧化层的预测，而且也只考虑了钛合金与氧气的宏观反应，没用考虑氧原子在微观上对钛合金表面的作用机理，无法预测氧化层的成分与连续性。

技术实现思路

1、为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种镍基高温合金表面早期氧化层的预测方法，所述预测方法按照先后顺序包括以下步骤：

2、步骤一：对未经过氧化的镍基高温合金目标试验件进行检测，确定镍基高温合金的相构成；步骤二：根据确定的镍基高温合金的相构成，建立晶胞模型，通过密度泛函理论进行数值计算，得到弛豫结果，根据弛豫结果得到镍基高温合金各相的临界参数，并根据化学势平衡理论确定镍基高温合金表面各元素的化学势范围；

3、步骤三：通过晶胞模型建立若干个镍基高温合金表面模型，并计算每一个镍基高温合金表面模型的总能量，然后计算每一个镍基高温合金表面模型的表面能；选取各元素化学势取值下表面能最低的镍基高温合金表面模型，并确定所选取的镍基高温合金表面模型上所有可能的吸附位点，依次将氧原子置于不同镍基高温合金表面模型的不同吸附位点上，分别建立氧-镍基高温合金表面模型；

4、步骤四：根据若干个氧-镍基高温合金表面模型，计算每一个氧-镍基高温合金表面模型的总能量，计算每一个氧-镍基高温合金表面模型的表面能；选取各元素化学势取值下表面能最低的模型作为该环境下最稳定的模型，根据最稳定的模型绘制镍基高温合金表面相图；

5、步骤五：通过绘制的镍基高温合金表面相图，并结合镍基高温合金内部各元素与氧元素化学势的变化，对镍基高温合金表面早期氧化层进行预测；

6、步骤六：对镍基高温合金目标试验件进行氧化试验，将试验结果与预测的镍基高温合金表面早期氧化层进行对比，验证该预测方法的准确性。

7、优选的是，步骤一中，所述镍基高温合金的相构成至少包括镍基高温合金的元素构成和晶体结构。

8、在上述任一方案中优选的是，步骤二中，所述镍基高温合金各相的临界参数为镍基高温合金中每一个相的总能量。

9、在上述任一方案中优选的是，步骤二中，所述镍基高温合金表面各元素的化学势范围应满足式中，

10、——i元素单质中单个i原子的化学势，ev；

11、ubulk——镍基高温合金单个晶胞的化学势，ev；

12、ui——镍基高温合金单个晶胞中单个i原子的化学势，ev；

13、uj——镍基高温合金单个晶胞中单个j原子的化学势，ev；

14、mi——镍基高温合金单个晶胞中i原子的数量，个；

15、mj——镍基高温合金单个晶胞中j原子的数量，个；

16、i——元素种类；

17、j——单个晶胞中除了i元素以外的其他元素种类。

18、在上述任一方案中优选的是，步骤二中，所述镍基高温合金单个晶胞中原子的化学势应满足关系式ubulk＝∑imiui，式中，

19、ubulk——镍基高温合金单个晶胞的化学势，ev；

20、mi——镍基高温合金单个晶胞中i原子的数量，个；

21、ui——镍基高温合金单个晶胞中单个i原子的化学势，ev；

22、i——元素种类。

23、在上述任一方案中优选的是，步骤三中，所述镍基高温合金表面模型的表面能计算公式为式中，

24、γ——表面能，

25、eslab——表面模型的总能量，ev；

26、ni——表面模型中i原子的数量，个；

27、——表面模型中i原子的化学势，ev；

28、a——表面模型的表面总面积，i——元素种类。

29、在上述任一方案中优选的是，步骤四中，所述氧-镍基高温合金表面模型的表面能计算公式仍为式中，

30、γ——表面能，

31、eslab——表面模型的总能量，ev；

32、ni——表面模型中i原子的数量，个；

33、——表面模型中i原子的化学势，ev；

34、a——表面模型的表面总面积，i——元素种类。

35、在上述任一方案中优选的是，步骤四中，所述氧-镍基高温合金表面模型中氧原子的化学势范围应满足式中，

36、——氧气分子的化学势，ev；

37、uo——氧-镍基高温合金表面模型中单个氧原子的化学势，ev。

38、在上述任一方案中优选的是，步骤四中，选取各元素化学势取值下表面能最低的模型作为该环境下最稳定的模型，根据最稳定的模型绘制镍基高温合金表面相图，该模型包括镍基高温合金表面模型和氧-镍基高温合金表面模型。

39、在上述任一方案中优选的是，步骤四中，所述镍基高温合金表面相图的绘制方法为，计算某一化学势平衡状态下，选取表面能最低的镍基高温合金表面模型和氧-镍基高温合金表面模型作为最有可能出现的相。

40、本发明利用materials studio(ms)软件的castep模块，基于第一性原理对表面模型进行几何优化，并计算表面能，再结合各元素化学势范围获得表面能最低的表面模型。计算设置采用广义梯度近似泛函(gga)作为交换关联泛函，perdew-burke-ernzerhof(pbe)泛函作为交换关联泛函，使用grimme方法处理范德华力以及远程相互作用；模型优化与计算电子性质时采用7x7x1的k点网络划分，优化方法选择bfgs方法，收敛能量残差设置为1×10-5ev/atom，残余应力小于偏移残差小于截断能设置为300ev，在整个计算过程中均考虑自旋极化。

41、对于上述基于密度泛函理论与热力学计算的镍基高温合金表面早期氧化层预测方法的建立和验证的详细方案如下：

42、采用x射线衍射(xrd)试验确定镍基高温合金的相构成；采用密度泛函理论与热力学计算相结合的方法，基于合金元素构成和晶体结构等信息，建立晶胞模型并进行计算，确定镍基高温合金各相的临界参数，并根据化学势平衡理论确定镍基高温合金表面各元素的化学势范围；根据晶胞模型构建镍基高温合金表面模型并进行能量计算，计算每一个镍基高温合金表面模型的表面能；选取各元素化学势取值下表面能最低的镍基高温合金表面模型，并确定所选取的镍基高温合金表面模型上所有可能的吸附位点，依次将氧原子置于不同镍基高温合金表面模型的不同吸附位点上，分别建立氧-镍基高温合金表面模型；计算每一个氧-镍基高温合金表面模型的总能量，然后计算每一个氧-镍基高温合金表面模型的表面能；根据化学势平衡理论确定各元素化学势的变化范围，对氧-镍基高温合金表面模型的表面能变化进行分析。表面能与结构的稳定性呈负相关，氧元素与合金表面结合倾向于生成表面能最低的结构，进而可以预测某一确定化学势状态下最有可能出现的结构，最终完成对镍基高温合金表面早期氧化层的成分和连续性的预测。

43、镍基高温合金的牌号及服役工况复杂多样，很难对其服役时产生的早期氧化层进行预测和评估，氧化层的结构和组成将直接影响合金的力学性能和化学性能，还直接决定了合金能否继续满足服役条件，因此镍基高温合金初始氧化层的预测和评估对于装备的安全稳定运行是十分必要的。

44、本发明镍基高温合金表面早期氧化层的预测方法，具有如下有益效果：

45、(1)本发明提出了一种基于密度泛函理论与热力学计算的镍基高温合金表面早期氧化层的预测方法，该预测方法基于密度泛函理论与热力学计算，并结合氧化行为中各元素化学势的变化范围，建立了镍基高温合金表面早期氧化层的预测相图，为镍基高温合金表面早期氧化层的预测提供了理论基础与方法支持。

46、(2)利用本发明的预测方法可以定性的预测镍基高温合金表面早期氧化层的成分与连续性，有利于镍基高温合金的正常服役。

47、(3)本发明的镍基高温合金表面早期氧化层预测方法经过了合金氧化试验的有效性验证，具有较高的精确度，为镍基高温合金早期氧化行为的评估提供了技术支持，既能够预测镍基高温合金在各种环境下的早期氧化行为，从而避免实地实验而导致的经济损失。