2023年1月7日，华北水利水电大学河南省高效特种绿色焊接国际联合实验室主任王星星老师团队与哈尔滨工业大学先进焊接与连接国家重点实验室主任何鹏教授、郑州机械研究所新型钎焊材料与技术国家重点实验室主任龙伟民研究员、哈尔滨焊接研究院方乃文博士共同开展低镍高氮奥氏体不锈钢（以下简称高氮钢）焊接界面行为第一性原理计算方面的创新研究工作，撰写的《Effect of N-Cr compounds on the brazing of high nitrogen steel with Ag-based filler metal: First-principles calculation》文章发表在一区Top期刊《Journal of Materials Research and Technology》（影响因子6.267），论文第一作者为王星星老师，通讯作者为李帅博士。相关研究得到国家自然科学基金(Nos. 52071165、51705151)、中原青年拔尖人才计划、河南省高校科技创新人才(No.22HASTIT026)、河南省优秀青年科学基金( No. 202300410268)等省部级及以上项目资助。

奥氏体不锈钢中，氮元素代替镍元素使得奥氏体不锈钢获得高屈服强度、耐腐蚀、良好的低温塑韧性以及无磁性等优点，高氮钢屈服和拉伸强度是AISI200和AISI300系列不锈钢的2~3.5倍，此外氮元素相比于镍元素资源丰富、经济性高。随着炼钢技术的日益成熟，高氮钢在越来越多的领域被应用。

高氮钢的连接技术有搅拌摩擦焊、钨极惰性气体焊、熔体惰性气体焊、激光焊接和钎焊等。熔焊由于焊接温度高导致接头处氮溢出，焊缝产生气孔，钎焊由于较低的焊接温度，有效改善了这些问题。有学者使用Ni-Cr-B-Si钎料和AgCu共晶钎料钎焊高氮钢，使用Ni-Cr-B-Si钎料在1020℃钎焊高氮钢获得的接头剪切强度为176.7MPa，使用AgCu钎料在840℃钎焊高氮钢获得的接头剪切强度为290MPa；在该团队之前的工作使用AgCuNi钎料钎焊高氮钢，在950℃、10min获得高氮钢接头剪切强度212.4MPa，并发现钎缝中Cr元素以Cr-N化合物的形式存在，并在钎焊缝隙中大量析出。在剪切的断口中我们观察到许多Cr2N相，因此我们猜测Cr2N脆性较大，容易在受到外界载荷时产生微裂纹，微观界面出现裂纹，随着接头受力时间的推移，微观裂纹就会扩展成为宏观裂纹导致接头失效，提高Cr化合物与Ag基钎料的结合强度就能有效提高高氮钢钎焊的结合强度。

第一性原理计算是研究微观界面重要且有效的方法，迄今为止，已经有一些学者采用第一性原理计算评价Ag/陶瓷界面结合强度和轨道杂化的研究如Ag/ZrB2,Ag/CuO，Ag/SiO2，Ag/Si3N4,Ag/Al2O3,Ag/AlN,Ag/SiC,Ag/TiC等。有学者使用第一性原理研究了掺杂Ti，Zr和Hr元素的Ag/ZrB2界面，未掺杂Ag/ZrB2界面的B终端界面和Zr终端界面黏附功分别是2.79J/m2和2.66J/m2，掺杂活性元素后界面结合强度显著提高。还有学者使用第一性原理研究了Ag/CuO，Ag/SiO2，Ag/Si3N4界面，Ag/SiO2界面的黏附功远高于Ag/Si3N4界面，Ag/CuO和Ag/SiO2界面的界面能远低于Ag(111)/Si3N4(0001)界面，表明Ag钎料中添加CuO钎焊Si3N4陶瓷有助于熔融钎料润湿和结合强度。

该文章通过第一性原理计算CrN和Cr2N的弹性常数、Cr-N键的不同，构建Ag(111)/CrN(111)界面和Ag(111)/Cr2N(0001)界面N终端不同堆叠结构模型，通过第一性原理密度泛函理论研究了不同终端界面的黏附功、电子密度、Mulliken布局等，通过对比两个界面黏附功、电子密度等分析了CrN和Cr2N与Ag的结合趋势及界面行为，为Ag基钎料钎焊高氮钢提供理论依据。

主要的计算和分析结果如下：

图1.Ag、CrN和Cr2N的晶体结构

图2 CrN和Cr2N晶体的电荷密度及差分电荷密度

图3 CrN和Cr2N晶体的分波态密度

图4 Ag(111)、CrN(111)和Cr2N(0001)晶面结构

图5 Ag(111)/CrN (111)和Ag(111)/Cr2N (0001)界面结构

图6 Ag(111)/CrN (111)和Ag(111)/Cr2N (0001)界面黏附功

图7 Ag(111)/CrN (111)和Ag(111)/Cr2N (0001)界面电荷密度及差分电荷密度

图8Ag(111)/CrN (111)和Ag(111)/Cr2N (0001)界面不同原子的分波态密度

文章结论：

这篇文章中，基于第一性原理计算研究了CrN和Cr2N的力学性能，Ag(111)/CrN(111) 界面和Ag(111)/Cr2N(0001)界面性质，结论如下：

1.采用Voigt-Reuss-Hill近似计算CrN和Cr2N的力学性能。Cr2N的杨氏模量和硬度均高于CrN。Cr2N具有较大的G/B值，此外在CrN晶体中，Cr-N键的共价键比Cr2N晶体的共价键弱，表明其脆性更大。

2. Ag(111)表面能收敛在7个原子层，表面能为2.01 J/m2。9个原子层的CrN(111)和Cr2N(0001)表面的Δd45变化不大，分别为0.8%和-0.7%，说明此时表面稳定。

3.在不同堆叠顺序的接口中，Ag(111)/CrN(111)界面B位置有最高Wad为5.48 J/m2, d0为2.4 Å， Ag(111)/Cr2N(0001)界面的最高Wad为4.11 J/m2, d0为2.65 Å。

4.Ag(111)/CrN(111)界面Ag-N键的离子键和共价键比Ag(111)/Cr2N(0001)界面的更强，因此整体化学键更强，并且Mulliken 布局表明Ag(111)/CrN(111)界面存在更多的电荷转移。

5.HNS钎焊接头中的Cr2N相不如CrN相稳定，Ag/CrN界面的结合强度较高。Cr2N相的形成更容易在钎焊接头中产生微裂纹。因此，在钎焊时应抑制Cr2N相的形成。