B在B2-FeAl合金Σ5(310)界面擴散的理論研究

藍春香 朱甜霞（南寧學院 通識教育學院，廣西 南寧 530000）

金屬間化合物是由金屬與金屬或金屬與非金屬之間按照不同的比例均勻混合而成的多元化合物，這類化合物的性能優于其組元單質的物理化學性能，具有較強的抗腐蝕性，是現今工藝生產過程中的一種新型結構材料。但在工藝生產加工過程中，合金會不可避免的與碳、氫、硫等元素發生反應，導致合金本身質量下降，而微量的硼（B）原子能顯著提高合金的塑性及耐磨性，因此對B原子在B2-FeAl 合金Σ5(310)界面擴散的理論研究具有重要的指導意義。

1 模擬方法

該研究主要采用晶界模型如圖1，通過EAM 勢函數借助LAMMPS 對B2-FeAl 合金Σ5(310)界面的吸附與擴散在零溫零壓條件下進行模擬計算。該晶界模型中共有27 個原子層，由1728 個原子組成，傾斜角設置為36.9°，x、y 軸為非邊界條件，z軸為邊界條件，在z軸添加B原子，以研究吸附原子在界面上的性質，分析雜質擴散與遷移情況。

圖1 B2-FeAl合金Σ5(310)晶界模擬

2 界面能

界面能是指在界面單位面積內對應的自由能增量。通過上圖的晶界模擬，可以看出，晶界邊界的原子從常規晶格中脫離而出，從而使晶格發生形變，體系能量對應增加，具體界面能可由以下表達式表示：

式中：Egb——界面總能量；

EB2-FeAL——FeAl化合物總能量；

A——界面面積

γgb——的量綱為J/m2

圖2反映了Σ5(310)界面能與晶界原子層數的關系，從圖中可以得出，當距邊界的原子層數為13層時，Σ5(310)界面的結構較為穩定。

圖2 Σ5(310)界面能與晶界原子層數的關系

3 界面上原子的擴散機制

考慮到界面結構相對較為特殊，因此，在研究雜質原子在B2-FeAl合金Σ5(310)界面擴散的過程中，分析了五種擴散路徑，如圖3 所示，（a）（b）分別表示雜質原子沿五種不同路徑擴散至Σ5(310)界面的Al1為與Fe1位的情況，路徑1和路徑3為同種原子等間距擴散，但與界面距離的角度來看，路徑1離界面更近。反觀路徑2和路徑4，這兩個路徑與路徑1和路徑3的擴散方式相反，呈原子反位擴散現象，從與界面距離的角度來看，路徑4離界面較近。在這幾種路徑中，路徑5表示的是雜質原子在界面上的擴散，且針對Al1位與Fe1位，根據周圍環境的不同分有兩種不同的擴散方式。

圖3 雜質原子沿不同路徑擴散至Σ5(310)界面的Al1位與Fe1位的情況

4 B 原子在B2-FeAl 合金Σ5(310)界面的擴散研究

參考上述分析中界面上原子的擴散機制分析，采用相同方法分別討論B 原子沿不同路徑擴散至Σ5(310)界面的Al1 位與Fe1位的情況。具體分析如下：

4.1 B原子擴散至Σ5(310)界面的Al1位的情況分析

在分析實驗中，B原子是按照路徑1和路徑3這兩個路徑擴散至Al1位的，圖4、圖5分別為B原子由路徑1和路徑3擴散至Al1位的位移曲線，通過該曲線模擬可以看出，靠近界面的路徑的擴散遷移能力較低，且在Al3 位擴散至Al2 位的過程中遷移能降到最低，與路徑3 相比，路徑1 的B 原子擴散至Al1 位的能力較低，說明化合物中存在B原子點缺陷。

圖4 B原子沿路徑1擴散至Al1位的能量位移曲線 圖5 B原子沿路徑3擴散至Al1位的能量位移曲線

依舊采用原方法研究B 原子沿路徑2 和路徑4 擴散至Al1位的能量位移曲線，如圖6、圖7所示，從圖中可以看出，在B原子擴散過程中大部分擴散都是呈直線擴散的態勢，只有路徑2中Fe3至Al1位和Al5至Al1位，路徑4中Al3至Al1位的擴散是呈弧線擴散狀態，在這三種弧線擴散過程中，B原子都會先跳躍至近距離的Al2位，在借助Al2的緩沖跳躍到Al1位，因此，所對應的曲線圖中會出現一個小峰。通過對路徑2與路徑4的擴散途徑分析，得出B原子擴散機制均以反位擴散機制為主，且較容易由Fe位擴散至Al位。

圖6 B原子沿路徑2擴散至Al1位的能量位移曲線 圖7 B原子沿路徑4擴散至Al1位的能量位移曲線

B 原子沿路徑5 的擴散與前述幾種方法相同，位移曲線如圖8所示，在該路徑中出現了兩種擴散現象，第一種出現了三個擴散能壘，呈“山峰”形擴散；第二種是弧形擴散形式，該形式在擴散過程中受相鄰的2 個Al2 原子的作用。研究表明，在這兩種擴散形式中，第一種擴散能力遠弱于第二種，所以在Σ5(310)界面上，B原子沿路徑5主要以第一種擴散形式為主。

圖8 B原子沿路徑5擴散至Al1位的能力位移曲線

4.2 B原子擴散至Σ5(310)界面的Fe1位的情況分析

依舊以5條路徑為研究方向，采用上述方式，分析B原子沿這5條路徑擴散至Fe1位的情況。如圖9、圖10分別為B原子沿路徑1 和路徑3 擴散至Fe1 位的位移曲線，對比圖9、圖10 的位移曲線，了解到B原子沿路徑1中Fe4至Fe3的擴散遷移能力較高，Fe2 至Fe1 的擴散遷移能力相對較低；而在B 原子沿路徑3擴散至Fe1中的整體遷移能力基本相同，這與周圍原子作用力有一定聯系，通過對比發現，B原子沿路徑1擴散遷移的能力遠低于沿路徑3擴散遷移的能力。

圖9 B原子沿路徑1擴散至Fe1的位移曲線 圖10 B原子沿路徑3擴散至Fe1的位移曲線

如圖11、12，分別為B 原子沿路徑2 和路徑4 擴散至Fe1 的位移曲線圖，分析方式依舊采用上述方法，通過觀察發現，在這兩個路徑中，B 原子的擴散遷移能力各不相同，路徑4中Fe3至Fe1 位擴散過程中，位于Fe3 上的B 原子先跳躍至Al2 位，之后再從Al2 位借力躍至Fe1 位，該擴散過程是以第一近鄰作為擴散機制進行的。路徑2 中所表示的擴散機制與路徑4 相似，也是以第一近鄰為擴散機制。

圖11 B原子沿路徑2擴散至Fe1位的能量位移 圖12 B原子沿路徑4擴散至Fe1位的能量位移圖

最后探討B 原子沿路徑5 擴散至Fe1 位的遷移情況，如圖13 所示，在該擴散過程中與B 原子沿路徑5 擴散至Al1 位的遷移情況類似，都是有兩種形式的擴散方式。第一種擴散方式與擴散至Al1 位的形式相反，所以位移曲線也相反，總體也是呈“山峰”式擴散，在該擴散過程中B原子共受三組原子的作用力。第二種擴散方式為弧形，與第一種擴散不同的是，第二種擴散方式中B 原子只受臨近的兩個Al2 原子的作用力，擴散能力遠超第一種，但基于Σ5(310)界面上的擴散，B 原子依舊以第一種擴散方式為主。

圖13 B原子沿路徑5擴散至Fe1位的能量位移曲線

5 結語

綜上，通過對B 原子在B2-FeAl 合金Σ5(310)界面的擴散研究，得出結論：B原子在B2-FeAl合金Σ5(310)界面的取代中傾向占據AL2位，借助第一擴散機制從Fe晶格位擴散至Al晶格位。