深圳超算助力高强度镍基超合金研发

近日，国家超级计算深圳中心高级工程师李扬中博士参与的科研团队在《Tribology International》期刊（影响因子6.1，中科院大类1区）上发表了一篇题为《Insights into the microstructure and load-dependent wear characteristics of the boride layer on Inconel 718 alloy》的科研论文（https://doi.org/10.1016/j.triboint.2024.110298）。该项研究由北京工业大学、国家超级计算深圳中心、北京机械工业自动化研究所有限公司和武汉理工大学的多位研究人员共同完成。李扬中博士为论文的共同通讯作者。 

Inconel 718合金是镍基超级合金的一种，该材料虽然具有优异的机械性能，然而其表面硬度不够坚硬，影响了Inconel 718在工业上的应用。在本研究中，研究团队对Inconel 718样本进行表面渗硼处理后生成了高硬度的含镍薄膜。该表面薄膜在与Si₃N₄摩擦时能有效减少氧化物微粒的产生，在高负载摩擦时能够在表面形成新的含硼的摩擦层，把磨损率降低了2个数量级，有效保护了合金材料（图1）。

图1：渗硼后的Inconel 718合金与Si₃N₄摩擦的效果图

对渗硼后形成的表面薄膜作进一步研究发现该相主要为Ni₂₃B₆物质。通常镍和硼元素的混合只会生成Ni₃B结构，Ni₂₃B₆作为亚稳定态不会生成。但是铁元素的掺杂能够把Ni₂₃B₆态变成稳定结构。运用第一性原理进行计算，证实了铁对Ni₂₃B₆的稳定效应主要来自于铁原子替换了Ni₂₃B₆晶格中的某些特殊站位上的镍原子。这些站位的特殊之处在于他们的最近邻原子同样为金属镍而不是非金属的硼。当这些站位上的镍原子替换成铁后，铁与附近的镍原子形成复杂的金属键，表现为电子态密度（DOS）的显著提升（图2）。在其他站位上，Fe只能与硼形成普通的共价键，不产生明显的态密度变化。铁与镍额外的金属键令Ni₂₃B₆结构稳定性显著提高，从而替换Ni₃B在渗硼后的Inconel 718合金中生成。李扬中博士主导并完成了上述的计算工作，为Inconel 718合金的性能增强机制从微观尺度上提供了计算证明和理论解释。

图2：铁掺杂后的N₂₃B₆的各原子的电子态密度图，其中铁原子的d轨道有明显的变化。