钒合金中Cr、Ti和O固溶强化机理的第一性原理研究

V-Ti-Cr alloy with excellent mechanical, corrosion resistance and irradiation resistance properties, is the focus of research and development for the first wall structural materials. Deeply understanding the distribution characteristics and strengthening mechanism of Cr, Ti and O in vanadium alloy is the key to optimize the structure of alloy, and improve its mechanical properties. Due to the complexity of components, high fluctuation of local structure and element distribution, using only the experimental method cannot uncover the micro distribution characteristics and strengthening mechanism of alloying element. The first principles method can used to accurately calculate the stacking fault energy to obtain the characteristic quantity such us kink formation energy and Peierls stress, to further evaluate the ability of dislocation nucleation and migration, revealing the solid solution strengthening mechanism. This project, by means of the first principle method, to study the distribution characteristics of Cr, Ti, and O in the matrix, and in detailed analyze the interaction between Ti and O to reveal the trend of atomic clustering. The influence of Cr, Ti, and O on the stacking fault energy, kink formation energy and peierls stress under different distribution conditions, are evaluated to uncover the effect of solid-solution strengthening. Through studying the distribution characteristics of Cr, Ti, and O in dislocation core region, combinating with bonding and charge transfer to reveal the physical essence of the solute-dislocation interactions, and provide a theoretical basis for the design of novel vanadium alloy.

V-Ti-Cr合金具有良好的力学、抗腐蚀和抗辐照性能，是第一壁结构材料研发的重点对象之一。深入理解钒合金中Cr、Ti和O的分布特性和强化机理是优化合金结构、改进合金力学性能的关键。由于添加组元复杂，局域结构及元素分布波动大，仅采用实验方法难以揭示添加组元的微观分布特性与强化机理。第一性原理方法可精确计算层错能，进一步获得位错扭折形成能、佩尔斯应力等特征量以评估位错形核、迁移能力，揭示固溶强化机理。本项目拟采用第一性原理方法，研究基体中Cr、Ti、O的分布特性，通过细致分析Ti与O的相互作用评估原子团簇化趋势；考察不同分布条件下Cr、Ti、O对于合金堆垛层错能、位错扭折形成能、佩尔斯应力的影响，评估其固溶强化效果；考察Cr、Ti、O在位错芯区的分布特征，从成键、电荷转移等方面揭示溶质—位错相互作用的物理本质，为新型钒合金结构材料的设计提供理论依据。

钒合金作为聚变堆中的第一壁结构材料备选者，需要其具有优异的高温热力学特性。深入理解合金元素，特别是Cr、Ti和O，在钒合金中的分布特性以及相对应的固溶强化机理是优化合金结构、改进合金力学性能的关键。本项目利用第一性原理计算，系统地研究了3d、4d和5d过渡金属元素在钒合金中的分布、占位、扩散等基本物理特性；研究了合金元素与空位、杂质的相互作用，同时结合考虑O原子在钒合金中的原子团簇化趋势，以及O和C等杂质原子在复杂条件下的扩散特性来进一步评估和分析得到了钒合金中析出相的形成机制；通过考虑杂质处于不同位置和浓度条件下对于钒合金堆垛层错能的影响，得到了C、O和N杂质在钒合金中的固溶强化机制；同时对于析出强化相关的合金元素在基体/析出相界面处的占位、偏聚和强化行为进行了研究，对于不同析出相在钒合金中的析出强化也进行了部分预研。. 研究结果表明：钒合金中溶质-溶质和溶质-空位的相互作用所对应的缺陷结合能与溶质体积呈现明显的依赖关系；由于其周围的晶格应变，大尺寸原子对于合金元素和空位存在明显的吸引相互作用，这也使得大尺寸原子在钒合金中极易被空位捕获从而拥有较低的扩散势垒和扩散激活能从而易于扩散；对于大尺寸溶质原子，当周围缺少空位时，溶质-杂质相互作用呈现强烈的排斥作用，而一旦引入空位则转变为强烈的吸引相互作用。存在的强烈的吸引相互作用使得Ti-vac缺陷对降低了周围的C和O杂质的扩散势垒，并且具有强烈的捕获作用而形成具有B1结构的TiO析出相，析出相则进而粗化长大形成针状的析出相。通过研究钒合金中不同滑移系统下的本征堆垛层错能以及延展性参数，我们评估到间隙杂质C、O和N不仅强化钒合金，也会降低它们的塑性。在基体V/TiO析出相界面，Ti元素优先占据界面位置且呈现出界面偏聚行为，而Cr和Y则更倾向于占据基体相位置；空位以及Ti和Y元素的引入会降低界面的强度，而Cr则会轻微的增强界面的强度。