Weidong Fu、Xiangyang Wang、Junjie Zhou和Yinsheng Yu*（通讯作者）来自郑州大学机械与动力工程学院的研究团队，于2022年5月在《Computational Materials Science》期刊（卷211，文章编号111546）发表了一项关于Ni3Al基合金氧化机制的ReaxFF分子动力学模拟研究。这项研究聚焦于高温环境下Ni3Al基合金的早期氧化行为，旨在从原子尺度揭示其氧化动力学过程，为延长合金服役寿命提供理论依据。
学术背景
Ni3Al基合金因其高熔点、优异的机械性能和抗氧化性，被广泛应用于航空发动机和燃气轮机等高温部件。然而，氧化导致的性能退化是限制其寿命的主要因素之一。尽管已有大量实验研究探讨Ni3Al的氧化行为（如Li等人对多晶Ni3Al循环氧化的研究、Haerig等人通过AES/XPS分析氧压对氧化膜组成的影响），但原子尺度的动态机制仍不明确。传统实验方法难以捕捉氧化初期的原子级相互作用，而ReaxFF分子动力学（Reactive Force Field Molecular Dynamics）模拟可通过描述键序变化和电荷转移，弥补这一空白。本研究的目标是建立Ni3Al/O2氧化系统的微观模型，分析温度与晶面取向对氧化速率和氧化膜结构的影响。
研究流程与方法
模型构建
- 采用LAMMPS软件建立Ni3Al(100)和(110)晶面模型，包含21层金属原子（7098个原子），底部3层固定以模拟体相约束。真空层厚度54.65 Å，填充400个氧分子（O2），初始氧分子与合金表面距离大于5 Å以避免初始重叠。
- 力场选择：使用ReaxFF反应力场（涵盖键能、过配位惩罚、扭转角能等项），通过电荷平衡模型（QEQ）处理原子间电荷转移。
模拟参数
- 温度范围300–1300 K，采用NVT系综，时间步长0.2 fs，总模拟时长200 ps（前10 ps用于弛豫）。
- 边界条件：x/y方向周期性边界，z方向固定边界并设置反射壁防止氧分子逃逸。
数据分析方法
- 氧化动力学追踪：记录氧分子吸附、解离及金属-氧键形成的动态过程（如图2所示）。
- 氧化膜表征：通过径向分布函数（RDF, Radial Distribution Function）分析Al-O和Ni-O键长（图10），确定氧化产物类型。
- 电荷演化：提取各层金属原子（Al/Ni）和氧原子的电荷分布（图11-12），量化电子转移程度。
- 晶面取向影响：对比(100)与(110)晶面的氧消耗速率和氧化层厚度（图13），结合原子面密度差异解释机制。
主要结果
氧化初始阶段机制
- 氧分子优先吸附在Ni原子形成的空心位点（hollow site），随后O-O键断裂（图3）。解离的O原子与邻近金属原子结合，形成岛状氧化物（图4）。温度低于500 K时，氧消耗速率极低；700 K以上氧化层厚度显著增加（图5-6）。
温度效应
- 高温（1100 K）下氧化层向合金内部快速延伸（图8），而500 K时氧化仅局限于表面（图7）。氧化速率常数kp随温度升高呈线性增长（图9），符合Arrhenius关系。
氧化膜组成
- RDF分析显示Al-O键长1.8 Å（非晶Al2O3特征），Ni-O键长1.92 Å（与实验值吻合）。氧化膜为Al2O3与NiO的混合结构（图10）。
晶面取向差异
- (110)晶面因原子排列稀疏（面密度0.112 vs. (100)晶面的0.158），氧扩散阻力更小，导致其氧化速率普遍高于(100)晶面（图13a-b）。
结论与价值
本研究首次通过ReaxFF模拟揭示了Ni3Al氧化的原子级动态过程：
1. 科学价值：明确了温度与晶面取向对氧化行为的调控机制，为理解合金早期氧化提供了动力学框架。
2. 应用价值：通过优化晶面取向（如控制(100)织构）或添加Pt等元素（如Hayashi的研究），可设计更耐氧化的合金表面。
研究亮点
- 方法创新：结合ReaxFF力场与高精度电荷分析，实现了氧化过程中键序和电荷转移的实时追踪。
- 发现新颖性：揭示了Ni空心位点在氧分子解离中的关键作用，以及低温（<500 K）下氧化自限性的原子机制。
- 跨尺度关联：将原子尺度模拟结果（如氧化膜组成）与宏观性能（抗氧化性）直接关联，为多尺度建模提供范例。
其他发现
- 电荷转移规律：氧化层中Al原子电荷显著正移（+0.6–1.0 e），而Ni原子电荷变化较小（<+0.3 e），表明Al更易失去电子（图11-12）。
- 工艺启示：高温（1300 K）下氧化层厚度剧增（图6），提示实际服役中需避免局部过热。
该研究为Ni3Al基合金的抗氧化设计提供了理论工具和实验指导，后续可拓展至多元合金体系或复杂环境（如含硫气氛）的模拟。