金属掺杂对钇{10-10}晶界影响的第一性原理研究

钇及其合金是高科技应用（特别是在航空航天和核反应堆中）的极具前景的材料。金属元素在晶界的掺杂会显著影响这些材料的稳定性、强度和力学性能；然而，关于Y基合金中溶质偏析效应的研究仍然稀缺。为了填补这一空白，我们采用第一性原理计算系统地考察了34种金属元素掺杂对钇中高对称孪晶界性质的影响。在偏析能的驱动下，所有溶质元素都表现出向晶界附近区域偏析的趋势。能垒促使这些元素倾向于选择远离晶界线的偏析位置。强化能计算表明，当所有掺杂元素位于晶界附近时均可增强晶界强度。对于晶界能和固溶度趋势，不同周期中同一过渡金属族内的元素表现出一致的行为。综合考虑晶界能效应，我们确定了11种元素（Al, Zn, Rh, Pd, Ag, Cd, Sn, Ir, Pt, Au, Hg）优先偏析在晶界附近，它们在此处有助于晶界强化和稳定性提升。通过将强化能分解为力学、化学和空位形成分量，发现化学贡献是强化的主要因素，而过渡金属的力学贡献与溶质的Voronoi体积和相对原子半径的变化相关。态密度分析表明，晶界稳定性的提高主要源于溶质d轨道与钇之间的杂化，从而形成更稳定的电子态。本研究为优化Y基合金中的金属掺杂剂提供了理论指导。