一种结合分子动力学模拟和CALPHAD方法的混合方案,用于扩散研究

《Calphad》:A hybrid scheme integrating molecular dynamics simulations and CALPHAD for diffusion study

【字体: 大 中 小 】 时间:2026年08月30日 来源:Calphad 1.9

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  摘要传统的实验方法或CALPHAD方法在准确高效地确定扩散系数方面常常面临挑战,尤其是对于非稳定相而言。本研究介绍了一种新颖的混合计算方案,该方案结合了分子动力学(MD)模拟和CALPHAD方法,以有效获得与实验数据兼容的示踪剂扩散率和原子迁移率,利用了CALPHAD的现象学准确

  

摘要

传统的实验方法或CALPHAD方法在准确高效地确定扩散系数方面常常面临挑战,尤其是对于非稳定相而言。本研究介绍了一种新颖的混合计算方案,该方案结合了分子动力学(MD)模拟和CALPHAD方法,以有效获得与实验数据兼容的示踪剂扩散率和原子迁移率,利用了CALPHAD的现象学准确性和MD的理论可靠性两者的优势。该方案包括四个步骤:MD计算、建立元素基础、归一化以及优化。关键在于建立元素基础并对MD计算出的示踪剂扩散率进行归一化,以确保与实验数据的一致性。最后的优化步骤从归一化的示踪剂扩散率数据中得出原子迁移率参数,从而再现各种扩散数据,尤其是与实验中的扩散数据很好地吻合。所提出的方案减少了实验工作量,并且适用于不同的合金体系,而不仅仅是当前的Ni-Co基三元体系。

引言

在多组分合金体系(包含三种或更多组分)中,各种类型的扩散系数(简称“扩散率”)是定量描述扩散行为的关键物理量[[1], [2], [3], [4], [5], [6]]。然而,它们的准确高效确定长期以来一直是个挑战。目前,这些扩散率主要通过CALPHAD(相图计算)方法[7,8]结合实验方法来获得。基于Andersson和?gren的开创性工作[9],CALPHAD方法发展出了计算多组分体系中成分和温度依赖的互扩散、内在扩散及示踪剂扩散的机制[10,11],该方法通过将原子迁移率(简称“迁移率”)与热力学驱动力联系起来。迁移率参数存储在扩散数据库中,并主要通过DISTRA软件包[12]进行评估。现象学且实用性的CALPHAD方法的优势在于其对实验数据的自洽评估和良好拟合。在相关的实验方法中,分析方法[[13], [14], [15], [16], [17]]通常只能在离散成分点提供扩散率数据,但这既耗时又费力,尤其是考虑到描述多主元素合金的广泛成分空间的需求。因此,人们开发了更高通量的方法,如一维(1D)反演方法[18,19]和二维(2D)反演方案[20,21]。
然而,正如Sadhu等人[16]和Hillert[17]所指出的,在实际应用上述实验方法时,大多数三元及以上复杂体系的扩散研究目前仅局限于分析扩散对或复合体的成分分布。这些研究通常只能在体积固定参考框架内提供互扩散信息。因此,所评估的迁移率参数可以准确描述互扩散,但在晶格固定参考框架内(特别是在目标相的亚稳态区域内)可能无法可靠地计算示踪剂扩散率。此外,由于实验限制,缺乏示踪剂或内在扩散数据严重限制了用于优化迁移率参数的数据来源的范围和科学可靠性。
另一方面,分子动力学(MD)模拟通过直接求解牛顿运动方程来模拟原子的热运动轨迹,在物理原子尺度上进行操作。尽管在极端条件下的实验研究可能具有挑战性,但MD模拟可以轻松模拟高温高压环境下的扩散过程[22,23]。因此,MD模拟不仅提供了具有物理背景的各种扩散数据(尤其是示踪剂扩散数据),还能验证和清理实验数据。
在本文中,我们提出了一种新的CALPHAD方案,该方案深入结合了MD模拟(简称“MD方案”),以准确获得示踪剂扩散率,并据此推导出多组分体系中目标相的迁移率。该方案结合了CALPHAD和MD模拟的优势,使通常偏离实验结果的MD结果与实验结果更加一致。
我们选择了两种Ni-Co基三元体系Ni-Co-X(X = Cr, Al),它们具有典型的面心立方(fcc)单相成分范围,以扩展之前在Ni-Co-Fe体系[24]上的研究。选择1473 K作为本次扩散研究的代表服务温度。在该温度下,Ni-Co-Fe、Ni-Co-Cr和Ni-Co-Al体系的成分范围分别有大约100%、50%和20%处于稳定的fcc相区域,其余部分位于亚稳态fcc相区域。仔细选择这些体系是为了全面评估MD方案在确定不同相稳定性特征的合金体系中迁移率和各种扩散率的适用性和可靠性。

章节片段

MD方案

当前的MD方案通过以下四个步骤实施。
  • (i)
    MD计算:求解牛顿运动方程以追踪原子轨迹。然后应用爱因斯坦关系[25]将平均平方位移(MSD)与从原子尺度动力学行为得出的宏观扩散参数相关联,最终提取出终端和中间成分处的示踪剂扩散率;
  • (ii)
    建立元素基础(简称EB):应用CALPHAD方法

原子迁移率评估和示踪剂扩散率

为了验证所提出的MD方案的可靠性,本研究首先使用表1中的迁移率参数计算了纯Ni、Co、Cr和Al的自扩散率。随后,利用这些迁移率参数计算了fcc Ni-Co-Cr和Ni-Co-Al三元体系及其二元子系统的示踪剂扩散率。为了进行清晰比较,展示了两个代表性的二元体系,即Ni-Cr,它在大约一半的成分范围内表现出稳定性

总结

本研究提出了一种结合MD模拟的新CALPHAD方案,有效确定了Ni-Co基三元体系的示踪剂扩散率,进而得到了原子迁移率。该方案还能够获取目标相的各种扩散率,解决了现有CALPHAD方法中示踪剂扩散率计算不准确的问题。这种混合计算方案能够可靠地获得示踪剂扩散率和原子迁移率。

CRediT作者贡献声明

张雅静:研究、撰写——初稿撰写、审稿与编辑。吴雪婷:资金申请、研究。胡欣:研究。卢晓刚:概念构思、形式分析、监督、审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所报告工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢安徽省高校科研项目(授权编号:2024AH050174)的财政支持。
张雅静|吴雪婷|胡欣|卢晓刚
上海大学材料科学与工程学院,上海,200444,中国
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