基于分子动力学模拟构建NiCr合金模型

基于分子动力学模拟构建NiCr合金模型

帅斌财1,   ,陈勇2,   ,刘博韬1

1.南华大学机械工程学院 421001

2.南华大学

摘要：基于分子动力学模拟构建在锆合金表面的NiCr合金涂层在微观模型，用Atomsk建立原子模型，lammps构建Ni70Cr30模型；为模拟涂层材料在激光微熔下的变化，设定在周期性边界条件下，分子动力学模型采用NVT系综进行计算；为保证此多晶模型的有效性，采用EAM势函数，对激光微熔的升温融化和冷却结晶过程进行建模。

关键字：NiCr，分子动力学模拟，NVT系综，EAM势函数

Abstract: Based on molecular dynamics simulation, the NiCr alloy coating on the surface of zirconium alloy is built in the microscopic model, Atomsk is used to build the atomic model, and Lammps is used to build the Ni70Cr30 model; In order to simulate the change of coating material under laser micro-melting, the molecular dynamics model is calculated by NVT ensemble under periodic boundary conditions; In order to ensure the validity of the polycrystalline model, the EAM potential function is used to model the process of heating, melting and cooling crystallization of laser micro-melting.

Keywords: NiCr, molecular dynamics simulation, NVT ensemble, EAM potential function

目前，俄乌危机引发欧洲能源短缺，能源问题再次进入人们视线。2022年法国宣布重启新能源计划[1]，核能源作为清洁能源越发的受到重视。在面对核能源所带来优点的同时也不能够忽视核能的另一面。福岛核电站因为地震引发的海啸导致反应堆冷却系统失效[2]，其内部的锆合金包壳管在高温水蒸气环境下产生氢气，发生 “氢爆[2,3]”反应导致核事故。为了避免再次发生此类事件，各国对耐事故燃料[4,5]（Accident Tolerant Fuel，ATF）的研究也越来越重视

镍在元素周期表中是28号元素，属于Ⅷ A族，其晶体结构为面心立方结构。Ni基具有优异的高温强度、良好的抗蠕变、抗疲劳特性以及组织稳定性等特点[6]；广泛用于涡轮发动机等先进动力推进系统热端部件。铬在元素周期表中是24号元素，属于VIB族，晶体结构为体心立方结构。Cr基涂层具备良好的抗氧化性、耐腐蚀性、力学稳定性；在氧化后能够在涂层表面形成连续的致密Cr2O3氧化层保护膜，这种涂层在耐腐蚀和耐氧化方面表现较好，能够有效的阻止氧的扩散和渗透。且金属Cr的热膨胀系数与Zr相近，Cr涂层和Zr之间表现出优异的膜基结合力，在辐照条件下的抗辐照损伤性良好，故在核用包壳材料方面备受关注。[7,8,9,10]

1、模型与参数设定

1.1模型构建

基于分子动力学模拟，采用atomsk建立原子晶体结构模型，根据Ni、Cr原子的晶格常数建立相对应的晶体模型[11]。为构建单晶多胞模型，根据Ni的晶格常数3.51，构建Ni原子的单胞结构，建立一个10nm×10nm×10nm的盒子，用Ni原子将其填充，形成FCC结构的超晶胞；将超晶胞内30%的Ni原子替换为Cr原子，共计92679个原子。在对NiCr合晶的模拟中，以FCC结构为主，而除FCC以外的团簇类型统一命名为Other。

图1 Cr原子的体心立方结构   图2 Ni原子的面心立方结构   图3 NiCr合金模型

1.2模拟参数设定

分子动力学模拟对体系进行初始化，对模型体系中的粒子标定初始速度和初始位置。NiCr合金为金属元素，在模拟过程中的单位为金属单位metal；维度选择三维，能够更好的反应粒子间的相互作用；边界条件选择周期性边界条件，能够解决在模拟过程中因为模拟体系规模限制所引起的边界效应问题。

1.3系综理论

1901年，Gibbs提出系综理论；系综是指在宏观条件一定的环境下，具备一致的结构、性质，但是运动状态和各自独立的系统的集合[11]。分子动力学模拟中，需要根据不同的模拟选择特定的系综，常用的系综主要有：正则系综（NVT）、微正则系综（NVE）、等温等压系综（NPT）。

2、势函数

在分子动力学模拟过程中，势函数的发展由最初的对势模型发展为多体势模型。对势模型主要为：Lennard-Jones(L-J)势、Morse势、Born-Mayer势，以及其他对势Buckingham对势和Tersoff经验性对势等[12-17]。多体势模型主要为：EAM势[18]、Finnish-Sinclair势[19]、MEAM势[20]、MAEAM势[21]等。势函数主要用于描述微观粒子间的相互作用，分子动力学模拟的可靠性主要由势函数的准确性决定。L-J势主要用于惰性气体间的相互作用；Morse势是为了解决双原子振动谱的问题，大多用于金属原子；Born-Mayer势则是用于处理晶体问题。相较于上述对势模型，Buckingham对势和Tersoff经验性对势等则存在很大的局限性，后续大多被多体势模型所取代[17]。

多体势模型是在实际研究过程中，为解决各粒子之间的多体势相互作用而提出来的较为复杂的多体势模型。Daw和Baskes[18]等提出的EAM势解决了势函数中因人为因素所带来的能量而无法定义体积的问题，是现在的分子动力学模拟过程中较为成熟的势函数理论。EAM势是一种已被证实可以准确描述大量金属性质，且基于电子密度的半经验方法。基本思想是把相关系统内的每一个原子都看成是嵌入在其他原子基体内的客体原子，而系统的能量为原子间的相互作用势和嵌入能的和，即金属能量被看成是将一个原子嵌入到系统中剩余原子提供的局部电子密度中的能量，以及静电相互作用[16,17,18]。Daw和Baskes等人将能量定义为：

                （1-1）

                         （1-2）

为嵌入能，为原子的电子密度，为短程两体势函数，为原子i和原子j之间的的距离，体系总能量是每个原子求和得到的[16.17]。EAM势在模拟部分金属的力学性能、堆垛层错、固相变化、表面结构等，所描述的原子间相互作用与实验数据保持一致。

MEAM势是基于EAM理论上修正电子密度函数[18,22]，对EAM理论进行了完善；但是引入的公式较为复杂，且诸多参数仍是数值方法确定，故在后续的推广使用中存在很多困难。MAEAM势是基于EAM势的基础上引入修正项[17,18,23,24]，但所用的电子密度函数仍是EAM势的电子密度函数；引用的修正项函数为经验拟合，存在一定的局限性。在本研究中，为保证NiCr函数的实用性，所采用的势函数为NiCr的EAM势。

3、结论

将相关模型用超算进行计算，对模拟数据进行位错密度、位错类型以及晶体结构等进行分析，以得到在位错密度对晶体材料的屈服强度的影响。同时根据NiCr合金特性，在激光微熔状态下的升温融化、冷却结晶下的微观结构变化。

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作者简介：帅斌财（1995.9-），男，籍贯：江西吉安，汉，硕士，研究方向:表面工程。

刘博韬（1998.3-），男，籍贯：甘肃天水，汉族，硕士研究生，研究方向:材料表面改性。

陈勇（1981.6-），男，汉，博士，副教授，研究方向:材料表面改性、激光增材制造、纳米功能材料研究、微纳超精细加工。