Prvoprincipiální výpočty vlastností rozhraní v superslitinách na bázi Fe-Al

Bc. Ivana Miháliková

Bachelor's thesis

First-principles calculations of interfaces in Fe-Al-based superalloys

Abstract:

Nanokompozity na bázi Fe-Al představují velmi nadějný typ slitin ve vývoji lehkých materiálů. Mají velký potenciál při nahrazování ocelí ve vysokoteplotních aplikacích. Lehké materiály jsou klíčové v nahrazovaní těžkých slitin v automobilovém i v leteckém průmyslu. V předkládané práci zkoumáme pomocí kvantově-mechanických výpočtů vlastnosti rozhraní mezi dvěmi fázemi v koherentních nanokompozitech s využitím teorie funkcionálu hustoty (DFT), která je implementovaná v kódu Vienna Ab-initio Simulation Package (VASP). V úvodu práce uvádíme základní teoretické pilíře teorie funkcionálu hustoty a stručný popis práce s programovým balíkem VASP. V hlavní části zkoumáme energie rozhraní mezi neuspořádanou fází Fe-Al a uspořádaným intermetalikem Fe3Al pro různé krystalografické orientace. Zjistili jsme, že vlastnosti rozhraní citlivě závisí na distribuci Al atomů v neuspořádané fázi a ukazuje se, že distribuce atomů bez prvních a druhých sousedů Al-Al párů má velmi malou energii rozhraní.

Abstract:

Fe-Al-based nanocomposites with a superalloy-type of microstructure constitute a very promising class of alloys in the development of lightweight materials. They have a great potential to replace the currently used stainless steels in high temperature applications. The lightweight materials are crucial in replacing heavy alloys in automotive and aerospace industries. In this bachelor thesis we employ quantum-mechanical calculations to investigate the properties of interfaces between two phases in superalloy-type of nanocomposites using density functional theory (DFT) implemented in a plane-wave code Vienna Ab-initio Simulation Package (VASP). The thesis starts with a brief description of the main pillars of density functional theory and basics related to the use of the VASP code. In the main part we examine the interface energies between the disordered phase Fe-Al and the ordered Fe3Al intermetallics for different crystallographic orientations. We found out that the properties of interfaces sensitively depend on a distribution of Al atoms in the disordered phase and it turns out, that the atomic distribution without first and second nearest neighbours Al-Al pairs has extremely low the interface energy.

Keywords

Teorie funkcionálu hustoty, Nanokompozity, Superslitiny na bázi Fe-Al, Energie rozhraní, Prvoprincipiální výpočty, Density functional theory, Nanocomposites, Fe-Al-based superalloys, Interface energies, First-principle calculations

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 23. 5. 2018

Thesis defence

• Date of defence: 22. 6. 2018
• Supervisor: Mgr. Martin Friák, Ph.D.
• Reader: Ing. Martin Zelený, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Bachelor programme / field:
Applied Physics / Nanotechnology - Applied Physics