First-principles study on effects of X (Ta, Ti, and W) on the nitriding behavior of γ′-Ni3Al in Ni-based superalloys: From the surface adsorption and diffusion of nitrogen

渗氮 材料科学 高温合金 吸附 冶金 扩散 氮气 兴奋剂 图层(电子) 复合材料 微观结构 热力学 物理化学 化学 有机化学 物理 光电子学
作者
Lujiang Hao,Yang Bai,Yongxin Liu,Xiaowei Lei,Wenli Yao,Nan Wang
出处
期刊:Applied Surface Science [Elsevier]
卷期号:626: 157249-157249
标识
DOI:10.1016/j.apsusc.2023.157249
摘要

The role of X (Ta, Ti, and W) doping in affecting the adsorption and diffusion behavior of nitrogen at Ni3Al(1 1 0) and Ni3Al(1 1 1) surfaces was studied based on first-principles calculations to understand the nitriding mechanism of γ′-Ni3Al in Ni-based superalloys. The calculated results show that the substituting of X atom on the 1st-layer (top layer) Al site could enhance the adsorption ability of N on Ni3Al surface, especially on Ni3Al(1 1 1), owing to the stronger bonding strength between N and X atoms. For comparison, the effect of the X atom on the adsorption behavior of nitrogen is not significant when it is doped in the 2nd-layer or 3rd-layer. Nitrogen diffusion into the Ni3Al surfaces as the rate-determining step of nitriding is calculated based on the climbing image nudged elastic band (CI-NEB) method. The doping of Ti could significantly decrease the energy barriers of N penetration into γ′-Ni3Al surface, regardless of surface orientation, which contributes to promoting the nitriding process of γ′ phase. The strongest strengthening effect of Ti explains the experimental results that γ′-Ni3Al contains Ti element having a great nitriding behavior in Ni-based superalloys. Our results can provide an in-depth insight into the diffusion mechanism of nitriding γ′-Ni3Al phase in Ni-based superalloys.
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