L10-TiAl金属间化合物4d过渡金属合金化电子结构与力学性能计算

采用第一原理赝势平面波方法研究了TiAl-X（X为4d过渡金属）超胞合全体系的几何、能量与电子结构。通过计算、比较、分析Ti7Al8X与Ti8Al7X超胞的合金形成能,本文得出4d过渡金属在L10-TiAl合金中的占位情况：Y、Zr、Nb、Mo和Tc主要优先占据Ti原子位,而Ru、Rh、Pd、Ag和Cd则主要优先占据Al原子住。合金化元素价电子态密度图的变化,较好地解释了4d过渡金属在L10-TiAl合金中的占位规律。合金化超胞模型G／B值显示Mo、Tc、Ru、Rh、Pd和Ag有利于改善TiAl合金的室温塑性,而Y、Zr、Nb、和Cd则相反。Mo、Ag与Nb的合金化效应与实验结果一致,其余的4d过渡金属对L10—TiAl合金的韧化效应还需要实验进一步验证。     

4d过渡金属替位掺杂γ-TiAl基合金的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,计算研究了4d过渡金属X在γ-TiAl中替位掺杂形成的Ti7XAl8和Ti8Al7X体系的几何结构、总能量和弹性常数。对系统总能量、形成能的计算结果揭示Tc、Ru、Mo和Nb替代Al原子(或Ti原子),Rh和Pd替代Al原子掺杂体系比纯γ-TiAl体系更稳定,有利于制备γ-TiAl基合金。分析Ti7XAl8和Ti8Al7X体系的轴比c/a发现,4d过渡金属元素Y、Zr、Tc、Ru、Rh、Mo和Nb替代Al,Y、Ag、Rh和Pd替代Ti均能明显改善γ-TiAl基合金的延性。对弹性模量比的研究表明,Y、Zr、Tc、Ag、Ru、Rh、Pd、Mo和Nb替代Al原子掺杂有利于改善γ-TiAl基合金的韧性。综合分析确认,Mo和Nb易于添加到γ-TiAl基合金中并且有利于改善材料的延性和韧性。这一结论能够与他人的实验研究结果相互佐证。     

Zr替位掺杂γ-TiAl的稳定性和热学性质研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,计算了γ-TiAl和过渡金属Zr替位掺杂γ-TiAl形成的Ti8Al7Zr和Ti7ZrAl8体系的几何结构、总能量、结合能、声子谱和热学参量。通过对几何结构和结合能的计算分析揭示Zr替位掺杂γ-TiAl能够改善材料的稳定性和延性。能带结构和态密度表明Ti8Al7Zr和Ti7ZrAl8体系具有金属导电性。计算的声子谱显示Ti7ZrAl8体系具有很好的稳定性。计算结果显示Ti8Al7Zr和Ti7ZrAl8体系均具有较大而且稳定的高温热容量和热导率,比γ-TiAl有显著的改善。Ti8Al7Zr和Ti7ZrAl8体系的较大的热容量和热导率都有利于γ-TiAl基合金的技术应用。     

基于第一性原理研究H2O分子在双相TiAl合金表面的吸附行为

为研究电场作用对H2O分子在γ-TiAl和α2-Ti3Al表面的吸附行为影响,采用第一性原理方法对H2O分子在γ-TiAl（111）和α2-Ti3Al（0001）表面不同吸附位置的吸附能、态密度、几何结构、电荷布局进行分析。结果发现,H2O分子在γ-TiAl（111）和α2-Ti3Al（0001）表面上的top Ti位置吸附最为稳定,但电场更容易促进H2O分子与α2-Ti3Al（0001）表面的相互作用,即α2-Ti3Al更易与H2O分子发生反应,从而优先形成Ti的致密氧化膜,致使α2-Ti3Al被保护。探究γ-TiAl和α2-Ti3Al单相具有相同溶解速度的条件,对提升双相（γ-TiAl和α2-Ti3Al相）TiAl合金电解加工表面质量具有十分重要的意义。     

Zr和Mo双掺杂γ-TiAl基合金的稳定性与延性预测

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,计算研究了Zr和Mo原子双掺杂γ-TiAl合金体系的几何结构、总能量、原子平均形成能、弹性性质、电荷密度分布和布居数。通过对形成能的计算和分析,预测各双掺杂体系均具有能量稳定性,并且Zr原子始终倾向于替代Ti原子,Mo原子的替代倾向不明显。通过对轴比、弹性模量比、电荷密度分布、电荷布居数以及重叠布居数的综合分析,发现Ti_(11)ZrAl_(11)Mo和Ti_(11)MoAl_(11)Zr体系的延性相比纯γ-TiAl体系均有较大改善,并且双掺杂体系的改善效果较单掺杂更为突出。根据弹性模量比和布居数的分析结果预测,Ti_(12)Al_(10)ZrMo可能是一种延性较好的材料。     

金属元素Co、Fe、Cu、Ti对孕镶金刚石基底CVD金刚石涂层膜基界面结合强度的影响北大核心CSCD

采用基于密度泛函理论的第一性原理理论法,研究了金属元素Co、Fe、Cu、Ti对孕镶金刚石基底化学气相沉积金刚石涂层膜基界面结合强度的影响及其作用机理。界面结合能、电荷密度和化学键重叠布居数的计算结果表明:Co、Fe元素具有较强的电荷转移能力,Cu、Ti元素在沉积过程易生成金属碳化物过渡结构,且Cu、Ti元素掺杂模型膜基界面间C原子成键较强,成键也更接近理想金刚石C-C键,这些原因导致Cu、Ti元素掺杂模型的膜基界面结合强度较强,Co、Fe元素掺杂模型的膜基界面结合强度较弱。据此,可适当调整金属元素比例,优化工艺参数,从而改善孕镶金刚石钻头上沉积CVD金刚石涂层的性能。     

金属元素Co、Fe、Cu、Ti对孕镶金刚石基底CVD金刚石涂层膜基界面结合强度的影响

采用基于密度泛函理论的第一性原理理论法,研究了金属元素Co、Fe、Cu、Ti对孕镶金刚石基底化学气相沉积金刚石涂层膜基界面结合强度的影响及其作用机理。界面结合能、电荷密度和化学键重叠布居数的计算结果表明:Co、Fe元素具有较强的电荷转移能力,Cu、Ti元素在沉积过程易生成金属碳化物过渡结构,且Cu、Ti元素掺杂模型膜基界面间C原子成键较强,成键也更接近理想金刚石C-C键,这些原因导致Cu、Ti元素掺杂模型的膜基界面结合强度较强,Co、Fe元素掺杂模型的膜基界面结合强度较弱。据此,可适当调整金属元素比例,优化工艺参数,从而改善孕镶金刚石钻头上沉积CVD金刚石涂层的性能。     

Mo掺杂对γ-TiAl基合金能量稳定性和抗氧化性的影响

γ-TiAl基合金是一类具有广阔应用前景的高温结构材料,改善其高温抗氧化性能是当前研究的热点之一.以第一性原理计算为基础,研究了Mo含量小于9.26％(原子分数)的20种γ-TiAl基合金体系的几何性质、密度、原子平均形成能、间隙O原子的形成能、Al空位和Ti空位的形成能.结果显示:各种Mo替位掺杂γ-TiAl基合金体系的密度升高,但均小于4.5 g·cm-3,仍具有替代传统镍基合金的密度优势.各个掺杂体系的总能量和原子平均形成能均小于零,显示它们具有良好的能量稳定性,据此预测它们可以由实验制备.随Mo含量的升高,掺杂体系的稳定性逐渐降低.通过对Mo掺杂γ-TiAl体系的O原子形成能差值ΔEf(O)、Al空位与Ti空位形成能差值ΔEV的计算和分析揭示,当Mo含量为4.0％ ～7.4％时,阻碍间隙O原子扩散的势垒增大,Al空位扩散的能力得以提升且Ti空位扩散的能力被抑制.这对在γ-TiAl基体表面生成α-Al2 O3占主导地位的连续致密氧化膜有重要作用,为研发抗氧化性能优良的新材料提供了理论依据.     

冷喷涂制备TiAl_3-Al复合层及其抗高温氧化性能

为了提高γ-TiAl合金的抗高温氧化性能,采用冷喷涂技术在γ-TiAl合金基体上喷涂纯Al层后进行热扩散处理,制备了厚约250μm的TiAl3-Al复合涂层,研究了该涂层在950℃下的长时间高温氧化行为,用X射线衍射仪(XRD)分析了复合涂层的相组成,用场发射电子显微镜研究了其形貌,用电子探针分析了其成分。结果表明:冷喷涂纯Al层致密,存在少量微裂纹和微气孔;TiAl3-Al复合涂层和基体之间生成了TiAl3相,TiAl3与Al的界面有空洞;γ-TiAl合金高温氧化70 h即失重,氧化产物为TiO2和Al2O3的混合物;TiAl3-Al复合涂层进入稳态氧化阶段后,增重缓慢,遵循近抛物线规律,高温氧化1 000 h后涂层仍完好,氧化产物主要为Al2O3相,还有微量的TiO2及钛氮化合物;TiAl3-Al复合涂层提高了γ-TiAl合金的抗高温氧化性能。     

Nb和Cr双掺杂γ-TiAl基合金的结构和延性研究

γ-TiAl基合金是一种轻质耐高温材料,具有广阔的应用前景。采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,计算了Nb或Cr单替位掺杂、Nb和Cr双替位掺杂γ-TiAl形成的合金体系的几何结构、原子平均形成能、布居数、电荷分布和弹性常数等。通过对形成能的计算分析,揭示Nb始终倾向于替代Ti原子,Cr的替代趋向则不明显。4个双掺杂体系均具有负的形成能,显示其结构的稳定性和易于实验制备的优势。通过晶胞轴比、弹性模量比和布居数计算与分析,发现Nb和Cr双掺杂对于改善合金体系的延性具有重要作用,预测Ti7NbAl7Cr和Ti7CrAl7Nb体系对于改善延性有较好的综合效果,且前者更为突出,揭示了实验探索的方向。     

L10-TiAl合金点缺陷结构的赝势平面波方法研究

采用第一原理赝势平面波方法,计算了L10-TiAl金属间化合物点缺陷结构的能量、几何与电子结构。点缺陷形成热与形成能的计算结果表明：富Ti合金易出现Ti反位缺陷,富Al合金易出现Al反住缺陷。点缺陷结构类型与实验结果一致。基于晶体总电子态密度结构信息,上述计算结果被初步分析。通过计算点缺陷结构模型的弹性常数,比较其G／B值,初步得出点缺陷致使L10-TiAl金属间化合物的室温塑性进一步变差。     

Ni掺杂PtAl2合金电子结构的第一性原理计算

采用第一性原理的密度泛函理论方法从杂质形成能、电荷布居、电子结构等几个方面研究了PtAl2合金的掺杂效应。结果发现,Ni置换Pt元素掺杂形成能的绝对值要低于Ni置换A1的掺杂形成能。进一步从电子结构分析,两者在费米面附近的电子主要是由Pt的4p电子轨道,Ni的3d电子轨道以及部分Al的3p电子轨道上的电子贡献,但前者在费米能附近的反应剧烈程度要高于后者,这说明在PtAl2合金的掺杂中,Ni元素更容易置换Pt原子与Al生成NiAl合金。     

TiAl纳米合金的机械活化-放电等离子原位烧结

（Ti-50％（原子分数）AD-10％Al2O3粉体经过球磨的机械活化（MA）后，用放电等离子烧结（SPS）工艺，在烧结的同时进行固化。采用机械活化-放电等离子烧结（MA—SPS）的方法原位烧结制备TiAl—Al2O3块体纳米材料。球磨前后，（Ti-50％（原子分数）AD-10％Al2O3粉体的衍射图（XRD）相似。MA后得到晶粒度〈25nm的纳米粉体，其中Al2O3起到机械活化和细化晶粒的作用，促使粉体快速纳米化。纳米粉体在温度低于800℃、烧结时间〈5min的烧结参数下，烧结成TiAl纳米合金。TiAl纳米合金的微观结构表明，合金有γ-TiAl和α2—Ti3Al双相组织。SPS原位烧结后，得到密度为3．73g／cm^3的（γ＋α2）双相组织，组成相的晶粒度〈130nm。     

原位热压合成Nb掺杂Al2O3/TiAl复合材料

利用Al-Ti-TiO2-Nb2O5体系的放热反应,原位热压合成了Nb掺杂Al2O3/TiAl复合材料.借助DTA结合XRD探讨了Al-Ti-TiO2-Nb2O5体系的反应过程,并采用XRD、OM和SEM研究了复合材料的物相组成及显微结构.结果表明:Al熔化的同时,体系发生了Al和Nb2O5的铝热反应,生成了NbO2和Nb等中间产物,并放出了较多热量,这些热量促使Ti和Al较早化合生成TiAl3,随即引发Al和TiO2较早的还原反应,进而促使材料在较低温度下致密烧结;产物由γ-TiAl、α2-Ti3Al、Al2O3和NbAl3相构成,Al2O3颗粒分布于基体交界处,存在一定的团聚;Nb2O5的引入,对基体γ-TiAl相和α2-Ti3Al相的的分布有一定的影响,使得基体晶粒细化,较好地改善了材料的力学性能.     

晶体形态对金属涂层阻尼特性的影响

研究了金属涂层阻尼性能的微观机理。采用磁控溅射技术在不锈钢表面制备了Al、Ti、TiAl合金涂层,利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜和能谱分析仪研究了金属涂层的物相、微观结构和元素组成;利用动态热机械分析仪(DMA)分析了涂层的阻尼性能。结果表明:单靶磁控溅射制备Al涂层为典型的片状晶体结构,而Ti涂层为柱状微晶结构;双靶共溅射制备的TiAl合金涂层为Al晶体为核心包裹微晶Ti的合金微团结构。在金属涂层和基体结构阻尼性能测试实验中,频率为31～35 Hz区间Al、Ti、TiAl合金和不锈钢基体四种试样均出现阻尼品质因子倒数(Q~(-1))峰;然而在频率为57 Hz时, Al、Ti及TiAl合金涂层的试件出现明显Q~(-1)峰,其峰值约为0.016,未镀膜的不锈钢基体试样未出现峰值;在57 Hz频率下的应变幅与Q~(-1)关系曲线中,微团状晶态TiAl合金涂层阻尼性能最强,柱状晶态Ti涂层阻尼性次之、相对而言片状晶态Al涂层最弱。由此可见,晶体结构对金属涂层的阻尼性能的影响存在直接相关性,乱序晶体结构弛豫和晶界纳米缝隙的内摩擦是金属涂层产生阻尼的主要原因。     

L10-TiAl基本物性的计算与比较研究

为了从理论上进一步揭示L10型TiAl金属间化合物的本征物性,采用第一原理赝势平面波方法,计算了L10型TiAl金属间化合物的平衡晶格常数、合金结合能、形成热、弹性常数以及点缺陷形成能,并与其他计算方法和实验测试的结果进行了比较.点缺陷形成能的分析结果表明,富Ti合金易出现Ti反位缺陷,富Al合金易出现Al反位缺陷;双空位形成能的分析结果表明,Ti-Ti最近邻双空位形成能最低,表明这种Ti-Ti最近邻双空位最稳定.基于晶体总电子态密度与各原子分波态密度等电子结构信息,对上述计算结果进行了初步分析.     

空位浓度对γ-TiAl合金力学性能的影响

利用分子动力学方法在不同温度下对含不同空位浓度的γ-TiAl合金进行拉伸模拟,分别研究了Ti空位和Al空位对材料力学性能的影响。研究结果表明:在温度为1K时,随着Ti和Al空位浓度的增加,材料的极限应力呈非线性下降。但是,含Ti空位的模型比含Al空位模型的极限应力下降的慢。这主要是由于γ-TiAl合金中Ti空位和Al空位的空位形成能的不同导致其扩散系数有较大差异。当温度在300～1100K时,屈服强度随温度的升高而降低,并且温度对势能的影响较大,温度越高,势能越大。     

电子束沉积TiAl合金的微观形貌及组织结构稳定性

利用大功率电子束物理气相沉积设备,采用单靶蒸镀方法制备厚度为0.3mm的自由态TiAl合金板,并对制备态样品进行不同温度(650~950℃)的真空退火处理。借助X射线衍射仪、扫描电子显微镜及透射电子显微镜分析退火处理对相组成及微观组织结构的影响。结果表明:Ti,Al元素饱和蒸气压的差异导致富Ti成分区和富Al成分区沿板材截面呈现交替变化,其组成相为α_2-Ti_3Al,γ-TiAl和τ-TiAl_2;在650~950℃温度区间退火24h后,由于Al向Ti中扩散,呈现明显的界面融混和晶粒粗化,导致有序相含量的降低,其层状结构的退化受到孔洞形成、晶粒长大以及层间吞噬的影响。     

LaNi4M(M=Ni、Co、Fe)的晶体和电子结构

根据密度泛函理论,采用总体能量-超软赝势平面波技术,分析了LaNi5和20%Ni分别被Co和Fe代换后的晶体结构、总体能量、电子态密度以及Mulliken布居电荷.由理论计算得到的晶体结构参数与实验值符合得比较好.取代后合金的晶体结构变化趋势与取代元素的原子半径变化趋势一致.Co和Fe代换可改变合金的电子结构,降低合金的稳定性.Co-d或Fe d带的位置及其中的电子数影响合金的稳定性.Co或Fe更倾向于取代3g位,且Co取代比Fe取代稳定.合金生成热的理论计算值与实验值较为接近.     

元素粉末锻造法制备Ti-43Al-5V-4Nb合金的组织与性能

以Ti、Al等元素粉末为原料,采用快速烧结方法和无包套锻造法制备尺寸为Ф50×10 mm的TiAl合金锻坯.快速烧结后,TiAl合金由TiAl、Ti3Al、B2、Ti和TiAl3相组成,并且该合金存在较多的孔隙,孔隙主要由偏扩散造成的;经过高温锻造后,其孔隙得到了有效的控制,相对密度达到93%;经过热处理后,该合金主要由TiAl和Ti3Al相组成,在室温下合金的屈服强度提高了110 MPa,达到480 MPa,室温延伸率到达0.83%;在700℃和750℃,其屈服强度分别为580 MPa和530 MPa,其延伸率分别为12%和27%.