Investigação ab initio da fase NbNi₃ com adição de Si no Sistema Nb-Ni-Si

Abstract

O presente trabalho investiga o efeito da adição de silício (Si) na fase intermetálica NbNi₃ presente no diagrama ternário Nb-Ni-Si, através de cálculos ab initio baseados na Teoria do Funcional da Densidade (DFT). Sendo que o objetivo é de compreender o impacto do silício na estabilidade termodinâmica e nas propriedades estruturais da fase. Contribuindo, assim para a geração de novos parâmetros essenciais, que possam auxiliar futuros estudos e modelagens termodinâmicas envolvendo essa fase. Assim, inicialmente determinou-se a estrutura cristalina mais estável e os parâmetros de rede dos elementos puros, constituintes do diagrama, nióbio (Nb), níquel (Ni) e silício (Si) como referência dos cálculos subsequentes. Em seguida, foi modelado as composições químicas do NbNi₃ com diferentes concentrações de silício, a fim de calcular-se a sua energia total. Essa substituição de átomos de níquel por silício, foram estruturadas a partir da célula ortorrômbica primitiva, composta por oito átomos. A partir dos resultados, foi possível determinar a estabilidade termodinâmica de cada fase, com base na energia de formação de cada composto. Sendo que os efeitos da incorporação do silício, evidenciaram que existe uma relação linear entre a dopagem do NbNi₃ e a energia de formação dos compostos. Uma vez que a energia de formação aumentou progressivamente, com a diminuição de átomos de níquel, na composição de cada fase. A metodologia empregada, se mostrou coerente com resultados experimentais. Logo, mostrando-se eficaz na predição do comportamento termodinâmico em escala atômica, fornecendo parâmetros essenciais para futuros estudos de ligas Nb – Ni – Si.

The present work investigates the effect of silicon (Si) addition on the NbNi₃ intermetallic phase present in the ternary Nb-Ni-Si phase diagram, through ab initio calculations based on Density Functional Theory (DFT). The objective is to understand the impact of silicon on the thermodynamic stability and structural properties of the phase, thus contributing to the generation of essential parameters that may support future studies and thermodynamic modeling involving this phase. Initially, the most stable crystalline structure and lattice parameters of the pure elements—niobium (Nb), nickel (Ni), and silicon (Si)—were determined as reference for the subsequent calculations. Then, chemical compositions of NbNi₃ with different silicon concentrations were modeled in order to compute their total energies. The substitution of nickel atoms by silicon was carried out within a primitive orthorhombic cell composed of eight atoms. Based on the results, it was possible to determine the thermodynamic stability of each phase through the formation energy of each compound. The effects of silicon incorporation showed a linear relationship between the level of doping in NbNi₃ and the formation energy of the resulting compounds, with the formation energy increasing progressively as the number of nickel atoms decreased in each composition. The methodology employed proved to be consistent with experimental results, demonstrating its effectiveness in predicting thermodynamic behavior at the atomic scale and providing essential parameters for future studies on Nb Ni–Si alloys.