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Nb-Si 基合金作为航空发动机潜在材料，却受限于室温断裂韧性不足（KQ 较低）。研究人员通过实验和第一性原理计算，探究 Ta 掺杂对 Nb - 16Si - 22Ti - xTa 合金微观结构和断裂韧性的影响。结果表明，Ta 掺杂使合金相含量和 KQ 呈先升后降趋势。该研究有助于揭示 Ta 掺杂增韧机制。
在航空航天领域，高性能发动机的研发一直是科研人员不懈追求的目标。一款理想的航空发动机材料，需要能在高温环境下稳定工作，同时还要具备较轻的重量，以提升发动机效率。Nb - Si 基合金凭借其低密度（
7.2g/cm3）和高熔点（超过
1800°C）的特性，成为了航空发动机潜在材料的有力候选者，被视作新型涡轮发动机叶片材料的优质选择。
然而，这款看似潜力无限的合金，却存在一个棘手的问题 —— 室温断裂韧性（KQ）较低。这一缺陷严重制约了 Nb - Si 基合金在工业领域的广泛应用，就像给一匹千里马戴上了沉重的枷锁，使其无法在广阔天地中尽情驰骋。
为了攻克这一难题，来自多个研究机构（文中未明确具体单位）的研究人员踏上了探索之旅。他们开展了关于 “Ta 掺杂对 Nb - Si 基合金相稳定性和弹性性能影响以增韧” 的研究，通过理论计算和实验相结合的方式，深入剖析 Ta 掺杂在其中扮演的角色。
最终，研究人员取得了一系列重要成果。这些成果对于揭示 Ta 掺杂增强 Nb - Si 基合金韧性的机制有着关键意义，为后续优化合金性能、推动 Nb - Si 基合金在航空发动机等领域的实际应用奠定了坚实基础。该研究成果发表在了《Applied Materials Today》杂志上。
在研究过程中，研究人员运用了多种关键技术方法。在理论计算方面，采用投影增强波（PAW）方法，基于密度泛函理论（DFT），借助维也纳从头算模拟软件包（VASP）进行计算。通过合金理论自动化工具包（ATAT）构建 Ta 取代不同 Nb 占位的特殊准随机结构（SQS）。实验上，则运用 X 射线衍射（XRD）分析合金的组成相，利用背散射电子（BSE）成像观察微观结构。
下面详细介绍研究结果：
- 成分相组成：研究发现，所有的 Nb - 16Si - 22Ti - xTa（x = 0, 2, 4, 6, 8 at %）合金均由铌固溶体（Nbss）、(Nb,X)3Si和γ?(Nb,X)5Si3（其中 X 代表 Ti 或 Ta 原子取代的 Nb 原子）这三种相组成。并且在这三种相中，Nbss 的衍射峰最强。
- 微观结构变化：随着 Ta 含量的增加，Nbss 相的直径从16.9μm细化至约10.0μm 。同时，Nbss 相的体积分数呈现出先上升后下降的趋势，最初从 23.8% 上升到 26.4%，随后又降至 23.6%。这一变化趋势可通过 PHONOPY 计算 Nbss、β?Nb5Si3和Nb3Si相的相稳定性来解释。
- 断裂韧性变化：Nb - 16Si - 22Ti - xTa 合金的断裂韧性（KQ）同样先上升后下降。在五种合金中，Nb - 16Si - 22Ti - 4Ta 合金的KQ值最大，达到9.65MPa?m1/2 。
- 弹性性能影响：研究人员构建了Nb1?xTax（0 < x < 8 at %）构型，通过第一性原理计算研究 Ta 掺杂对弹性性能的影响。结果发现，由于 Ta 元素的固溶强化作用，Nbss 的B/G值降低，这导致在裂纹扩展过程中，裂纹的偏转和桥接作用减少。
- 电子结构特征：通过计算 Ta 掺杂的 Nbss、β?Nb5Si3和Nb3Si相的电子结构，揭示了其键合特征，为理解 Ta 掺杂对合金性能的影响提供了更深入的视角。
综合研究结果和讨论部分，该研究全面且深入地探究了 Ta 掺杂对 Nb - Si 基合金微观结构、断裂韧性、相稳定性以及弹性性能的影响。首次系统地结合理论计算与实验，从多个维度揭示了 Ta 掺杂增强合金韧性的机制，填补了该领域在 Ta 对 Nbss 相相关研究方面的空白。这不仅为 Nb - Si 基合金的进一步优化指明了方向，也为其他类似合金体系的研究提供了宝贵的参考，对推动航空发动机材料的发展具有重要的理论和实际意义。
