通过分子动力学模拟揭示Fe-Cr-Al合金中Hf-O团簇的形核过程 杨罗（Yang Luo） 陶珂（Ke Tao） 曹雷（Lei Cao） 王国成（Guocheng Wang） 李刚（Gang Li）

《Crystals》：Unveiling Hf-O Clusters Nucleation from Fe-Cr-Al Alloys by Molecular Dynamics Simulations Yang Luo, Ke Tao, Lei Cao, Guocheng Wang and Gang Li

　　

摘要

纳米级HfO₂的析出对Fe-Cr-Al电热合金的高温蠕变特性起着关键作用。然而，其原子尺度的初始成核和生长机制仍不清楚，这阻碍了基于Hf微合金化的precipitates（沉淀物）的精确设计。本研究采用LAMMPS软件中的经典分子动力学模拟来研究1773 K、1873 K和2000 K条件下Hf-O团簇的形成和演变过程。Fe-Cr-Al-Hf-O体系采用混合势函数进行描述，该势函数的可靠性通过晶格参数计算得到验证，结果与文献值吻合良好。模拟结果表明，Hf原子和O原子之间存在相互吸引作用，能够形成稳定的Hf-O团簇。在较高温度下，Hf和O原子的扩散能力增强，Hf-O键的数量增加，最大团簇的尺寸扩大，表明温度的升高促进了团簇的增长。计算得出的Hf和O原子的扩散活化能表明，温度的升高对O原子扩散的促进作用更为显著。通过对团簇回转半径和平均原子能量的分析发现，1873 K下形成的Hf-O团簇具有更加紧凑和稳定的结构特征。径向分布函数分析进一步表明，Hf-O团簇中相邻原子的排列方式与相同温度下的弛豫HfO₂晶体结构非常相似，这表明Hf-O团簇可作为促进HfO₂晶体析出的关键成核核心。本研究阐明了Fe-Cr-Al合金中Hf-O团簇在原子尺度上的动态形成机制和结构演变过程，为优化控制HfO₂纳米沉淀物的设计提供了宝贵的指导。