Nb/V掺杂γ-TiAl合金结构稳定性及延性的第一性原理研究

摘要

由于γ相TiAl合金具有低密度、高温强度高、弹性模量优良、抗蠕变和抗氧化能力好等优势，所以该合金材料被广泛应用于高温高压等极端的环境，但是在室温条件下，材料的脆性制约了它的广泛应用。研究表明，采用少量掺杂其它杂质元素不但是改善室温脆性的有效途径，同时也是提高高温抗氧化性的主要方法。其中V和Nb元素具有改善TiAl合金延性及Nb元素还具有一定的高温抗氧化性能。然而对于V和Nb元素掺杂浓度和它们共掺杂γ-TiAl合金性质影响的研究报道还比较少，并且对它们的电子结构性质等研究处在摸索阶段，其中计算机模拟方法是探寻材料微观机理的有效途径。因此本文选取其中V和Nb为掺杂元素构建掺杂体系，探索单元素和双元素掺杂对γ相TiAl合金延性的影响，并分析其几何结构及内在电子结构等机理。
　　本研究主要内容包括：⑴从原子平均形成能对比，Nb或V单掺杂体系中，Nb和V原子替换Ti原子位能量比替代Al原子位能量更低，说明Nb和V原子都容易取代γ相TiAl合金的Ti位。而在Nb和V原子双掺杂体系中，Nb原子容易取代Ti位，V原子容易取代Al位。⑵从晶胞几何结构参数、轴比R和弹性模量对比，Nb或V单掺杂体系中，Nb和V原子替换Ti原子位对γ-TiAl合金延性有所降低，而替换Al原子位时对γ-TiAl合金的各向异性有所降低，有利于改善其延性;Nb和V原子双掺杂体系对γ-TiAl合金的各向异性有所降低，延性有所提高，相较于V或Nb原子单掺杂的各向异性和延性改善比较明显。⑶从差分电荷密度和态密度分析，V原子或Nb原子单掺杂Ti位时，使得杂质原子与Al原子之间的反键作用强于未掺杂的Ti与Al原子之间的反键作用，同时对周围的Ti-Ti键、Ti-Al键和Al-Al键没有多大的影响。所以V或Nb原子掺杂Ti位使得TiAl合金脆性增强，稳定性降低;而掺杂Al位时，杂质原子周围形成金属键，同时减弱了p-p共价键，抑制了TiAl合金脆性、使合金基体的自由电子态密度升高，参与形成金属键的自由电子数增加，改善了TiAl合金延性。在Nb和V原子双掺杂TiAl合金模型中，随着Nb原子替换Ti原子位置，随着V原子替换Al原子位置，使合金基体的自由电子态密度升高，参与形成金属键的自由电子数增加，杂质原子周围形成金属键，同时减弱了p-p共价键，抑制了TiAl合金脆性、改善了TiAl合金延性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．2 TiAl基合金的性质及发展

1．2．1 γ相TiAl基合金的性质

1．2．2 TiAl基合金金的发展

1．3 合金元素对TiAl基合金的影响

1．3．2 合金化方法改善γ-TiAl延性的实验研究

1．3．3 合金元素对TiAl基合金的基本行为的影响

1．4 本文研究意义

1．5 本文研究内容

第2章 理论基础与研究方案

2．1 基本近似

2．1．1 Born-Oppenheimer近似

2．1．2 Hartree-Fock近似

2．2 密度泛函理论

2．2．1 Hohenberg-Kohn定理

2．2．2 Kohn-Sham方程

2．2．3 赝势

2．3 合金弹性常数和体弹模量的计算

2．4 CASTEP计算模块及计算步骤

2．4．1 计算模块

2．4．2 计算步骤

2．5 研究方案

第3章 V原子单掺杂γ-TiAl合金的晶体结构和延性

3．1 掺杂γ-TiAI体系模型构建

3．2 计算参数设置

3．3 原子平均形成能与稳定性

3．4 几何结构

3．5 轴比与延性

3．6 弹性模量与延性

3．7 差分电荷密度和电子态密度

3．7．1 差分电荷密度分析

3．7．2 电子态密度分析

3．8 本章小结

第4章 Nb原子单掺杂γ-TiAl合金的晶体结构和延性

4．1 掺杂γ-TiAl体系模型构建

4．2 计算参数设置

4．3 原子平均形成能与稳定性

4．4 几何结构

4．5 轴比与延性

4．6 弹性模量和延性

4．7 差分电荷密度和电子态密度

4．7．1 差分电荷密度分析

4．7．2 电子态密度分析

4．8 本章小结

第5章 Nb和V双掺杂γ-TiAl合金的晶体结构与延性

5．1 晶胞模型构建

5．2 计算参数设置

5．3 原子平均形成能

5．4 几何结构

5．5 轴比与延性

5．6 弹性模量和延性

5．7 差分电荷密度和态密度

5．7．1 差分电荷密度分析

5．7．2 电子态密度分析

5．8 Nb和V原子双掺杂与单掺杂γ-TiAl合金体系对比

5．9 本章小结

6．1 结论

6．2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间取得学术成果