Co、Pd掺杂对NiTiNb记忆合金相变影响的第一原理研究

基于第一原理计算方法,通过比较Co、Pd合金化前、后NiTiNb合金能态、电子、态密度等微观结构变化,表征和评判了Co、Pd掺杂对NiTiNb合金相变的影响,结果表明：Co元素在NiTi和NiTi(Nb)相取代Ni位的结合能和形成焓小于其取代Ti位,表明Co元素将以取代Ni位形式固溶,Mulliken布居和电子密度计算显示,Co固溶后将与最近邻Ti原子形成强键作用,导致Co周围Ti原子活性降低,Ni/Ti原子比升高,所以Co合金化后NiTiNb合金Ms反而降低。对于Pd元素,虽然其取代Ti位的形成焓略小于取代Ni位,但NiTi(Pd→Ni)和NiTi(Nb)(Pd→Ni)的结合能均小于Pd取代Ti位,同时Pd→Ni位后固溶相的Fermi能级处电子数减少,Pd成键峰峰值更高、峰型更集中,所以Pd以置换Ni位更稳定,Ni/Ti原子比降低,NiTiNb合金Ms升高     

Ni47Ti44Nb9形状记忆合金时效处理及机理

采用真空感应法制备高铌含量Ni47Ti44Nb9形状记忆合金,结合电阻法测量和差示扫描量热法,探索了不同热处理制度对马氏体相变温度的影响,结果表明,炉冷的时效冷却方式能明显降低其马氏体相变开始温度Ms,且随着时效温度的增加,Ms逐渐降低.进一步采用第一原理计算方法,通过计算NiTi(Nb)的形成热、结合能以及电子结构,表征和评判了Nb在NiTi基体相中的固溶方式,结果显示Nb元素优先置换Ti位,这种置换方式一方面增强了Nb-Ti和Ni-Ti之间的键合强度,提高了NiTi基体的稳定性,另一方面也增加了Ni/Ti原子比.     

Ti、Nb、Zr掺杂γ-Fe-(B)中的电子结构及键合作用的第一性原理研究

采用第一性原理的方法计算了 Ti、Nb、Zr固溶于γ-Fe-(B)后形成晶胞的体积变化率、晶胞总能、结合能、态密度、差分电荷密度、迁移激活能及力学性能,并由此研究了 Ti、Nb、Zr与γ-Fe-(B)的微观作用机理.结果表明,3种原子均优先取代γ-Fe-(B)晶胞中顶角位置的Fe原子.Ti掺杂后,γ-Fe-(B)的结合能降低,B原子的迁移激活能降低,B原子可能更容易偏聚.Nb、Zr掺杂后,γ-Fe-(B)的结合能升高,增加γ-Fe-(B)的稳定性.Zr对于提高γ-Fe-(B)稳定性的作用要大于Nb固溶.γ-Fe-(B)晶胞中,主要以离子键为主,并伴随少量的共价键;γ-Fe-(B)-Ti晶胞中主要形成的是较弱的离子键;而γ-Fe-(B)-Nb、γ-Fe-(B)-Zr晶胞中主要形成的是较强的共价键.M、Fe、B均提供成键电子,参与成键的是Md、Fe3d和B2p轨道.γ-Fe-(B)-Ti晶胞中Ti3d电子相对比较局域,参与成键的作用较弱,γ-Fe-(B)-Nb及γ-Fe-(B)-Zr晶胞中Nb4d电子及Zr4d电子离域性较强,成键能力较强.Ti、Nb、Zr均能提高γ-Fe-(B)的力学性能,主要表现为硬度及抗压强度有所提高,但塑性及韧性变化不大.Zr对于提升体系硬度的作用效果是最明显的.论文依据合金元素对γ-Fe-(B)电子结构的影响,探讨了 Ti、Nb、Zr及B原子对于提高材料淬透性的影响机制.     

过渡元素掺杂NiTi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系统的计算了3d、4d和5d过渡元素掺杂的Ni Ti合金晶格参数、形成能、弹性常数和电荷密度,探讨了合金元素的占位倾向以及对马氏体相变温度的影响。计算结果表明,V、Cr、Mn、Fe、Co、Pd、Cu各族元素倾向于占据Ni位;Sc、Y、Zr、Hf倾向于占据Ti位。V、Cr、Mn、Fe、Co各族元素和Pd、Pt取代Ni,V、Cr、Mn、Fe各族取代Ti能够不同程度的降低NiTi合金的相变温度M_s;Hf、Zr、Au、Ag取代Ni以及Sc、Y、Hf、Zr取代Ti为能够升高NiTi合金的相变温度M_s;Cu取代Ni则基本不改变NiTi合金的相变温度M_s。这些结果与实验结果一致,进而从微观角度解释了合金元素对相变温度的影响规律。     

Aluminum Nitride Thin Films on Molybdenum/Polyimide Heterostructure for Bulk Acoustic Resonators

用正电子寿命谱测量方法研究了5种不同化学成分的近等原子比NiTi合金中的微观缺陷和自由电子密度.结果表明,当Ni原子和Ti原子形成NiTi合金时部分3d电子被局域化而形成共价键,导致合金中参与形成金属键的自由电子减少.近等原子比的NiTi合金中的基体和缺陷处的自由电子浓度均随Ni含量的增加而改变,并且当Ni含量为51 at％时达到最大值.研究还发现Ni51Ti49合金含有最少的缺陷,从而有助于马氏体相变的发生,这可能成为Ni51Ti49合金具有最好的形状记忆效应的一个原因.     

近等原子比NiTi合金中微观缺陷和电子密度的正电子湮没研究

用正电子寿命谱测量方法研究了5种不同化学成分的近等原子比NiTi合金中的微观缺陷和自由电子密度。结果表明,当Ni原子和Ti原子形成NiTi合金时部分3d电子被局域化而形成共价键,导致合金中参与形成金属键的自由电子减少。近等原子比的NiTi合金中的基体和缺陷处的自由电子浓度均随Ni含量的增加而改变,并且当Ni含量为51 at%时达到最大值。研究还发现Ni51Ti49合金含有最少的缺陷,从而有助于马氏体相变的发生,这可能成为Ni51Ti49合金具有最好的形状记忆效应的一个原因。     

O2在NiTi合金(100)表面吸附的理论研究

采用密度泛函方法应用赝势基组对NiTi合金（100）表面的电子结构以及氧分子（O2）的吸附和解离过程进行了系统研究．结果表明，Ti原子裸露表面比Ni原子裸露表面反应活性高，02吸附为活化解离吸附，顶位吸附结构最不稳定，易向桥位或洞位吸附转化，桥位吸附对应的吸附结构最为稳定．态密度分析和结构分析表明，氧原子与表面的相互作用主要是由氧原子价轨道和NiTi合金杂化表面轨道贡献．     

TiN(111)/DLC界面粘附功和电子结构的第一性原理研究

利用基于密度泛函理论的第一性原理,采用平面波赝势方法,研究了Ti N(111)/DLC界面的粘附功和电子结构,阐明了Ti N过渡层改善金属基体和DLC薄膜结合性能的内在机理。根据Ti N(111)面不同的表面终端(Ti终端和N终端)和界面原子配位类型(顶位、中心位和孔穴位),构建和计算了6种可能的Ti N(111)/DLC界面理论构型。结果表明:当Ti N(111)以Ti原子为终端时,中心位堆垛界面(Ti-center)的粘附功最大;当Ti N以N原子为终端时,顶位堆垛界面(N-top)为最稳定的界面模型,弛豫后的粘附功为8.281J/m2。差分电荷密度、分态密度、Mulliken布居数的计算结果均表明:Ti-center界面Ti原子和C原子形成的Ti-C键包含共价性和离子性;N-top界面处C原子和N原子形成C-N共价键。相比之下,N-top模型更有可能在Ti N/DLC界面中出现。     

3d过渡金属在NiAl中占位的第一原理计算

采用第一原理赝势平面波方法研究了NiAl-X(X为3d过渡金属)合金体系的几何与电子结构.通过合金形成能的计算与分析发现:合金化元素的外层价电子数对其在B2-NiAl中的占位有非常明显的影响,低价电子数的前过渡金属Sc、Ti、V与后过渡金属Zn主要占据Al原子位,具有未满d壳层高价电子数的Mn、Fe、Co则主要占据Ni原子位,而含有半满或满d壳层的Cr与Cu,则既可占据Ni原子位也可占据Al原子位,但倾向于占据Ni原子位.随着合金化元素外层价电子数的增加,3d过渡金属优先占据Ni原子位的趋势增大,至Mn时达到最大,然后随着价电子数的进一步增加,这种趋势逐渐减小.通过对这些合金化元素价电子态密度图的变化,说明3d过渡金属在B2-NiAl中的占位优先趋势.     

Nb、Ta等元素对Zr基大块非晶非晶形成能力及耐腐蚀性影响机理研究

  用计算机编程构造了Zr基非晶合金包含二十面体原子团簇的Zr₂Ni晶体相.用Zr₂Ni晶体相中以Ni原子为中心的二十面体原子团簇模拟Zr基非晶中二十面体团簇.应用实空间的递归方法计算了合金元素取代二十面体原子团簇中心和顶角位置原子时的局域态密度、二十面体原子团簇中中心Ni原子与其近邻合金元素Nb、Ta、Ti、V的总键级积分及团簇的费米能级.结果表明,Nb、Ta、Ti和V取代Zr原子后使其与Ni的键级积分有所降低,使合金的非晶形成能力下降,但Nb、Ta对合金的非晶形成能力影响不大;Nb、V取代Zr使费米能级升高,可使Zr基非晶容易钝化,提高耐蚀性;Ta对Zr基非晶的耐蚀性影响不大.而Ti使Zr基非晶的钝化能力下降.综合合金元素对非晶形成能力和耐腐蚀性的影响,Nb是最有益的合金元素,即在Zr基非晶中,通过加入少量的Nb元素,可以制备出具有较高耐腐蚀性的大块非晶.     

Ce与Cr协同作用B2-NiAl合金力学性能的理论研究

本文采用第一性原理赝势平面波方法,基于虚拟晶体势函数近似(VCA),研究了不同浓度x (x=0~2.2%,原子百分比)的Ce和Cr 单独及协同合金化对B2-NiAl晶体弹性模量E、剪切模量G、 Cauchy压力参数及G/B0比值的影响。结果表明：Cr占据Ni原子位能显著提高B2-NiAl合金的剪切模量G和弹性模量E, 而Ce占据Al原子位则能降低其合金的G和E；随着合金化浓度提高到2.1%,Cr占据Al原子位能改善B2-NiAl合金的延性,而当Ce取代Al原子位协同Cr取代Al原子位时,对其延性的改善效果比各自单独合金化的效果更显著,且以合金化浓度为2.0%时为最佳效果。这一理论计算很好的重现了实验中Ce与Cr协同合金化明显提升B2-NiAl合金室温延性的现象。电子态密度分析显示,Cr原子或者Cr协同Ce原子能够削弱B2-NiAl晶体当中的Ni(d)-Ni(d)主要成键峰的杂化效应,降低主要成键峰的方向性。     

Re与Ru合金化对Ni/Ni3Al相界电子结构影响的第一原理研究

采用第一原理赝势平面波方法研究了Re与Ru合金化前γ-Ni/γ'-Ni3Al相界的电子与能态结构.断裂功计算结果显示:Re置换γ-Ni相区中的Ni或Ru置换γ'-Ni3Al相区中的Al,均可提高Ni/Ni3Al相界的断裂强度;Re与Ru在相界区复合合金化时,当Re与Ru分别占据共格(002)γ/γ'原子层邻近(001)γ原子层上的Ni原子位与(001)γ'原子层上的Al原子位时,γ-Ni/γ'-Ni3Al相界的断裂强度可进一步提高,若其中的Ru置换γ'-Ni3Al相区内层Al,刚复合合金化Ni/Ni3Al相界的断裂强度不仅没有提高,反而比Ru单独合金化时Ni/Ni3Al相界的断裂强度还低.电子态密度与电子密度分布图的分析表明:Re与Ru合金化对γ-Ni/γ'-Ni3Al相界断裂强度的影响可归因于Re和Ru与其最近邻Ni原子间强烈的电子相互作用引起的相界区域层间原子成键相互作用的改变.     

二硼化物固溶体(Ti/Zr)1-x(Ta/Nb)xB2的结构稳定性和力学性能的第一性原理研究

通过超晶胞(SC)方法和虚拟晶体近似(VCA)方法的第一性原理计算,研究了金属二硼化物固溶体(Ti/Zr)1-x(Ta/Nb)xB2 的形(0≤x≤1)成能、混合能、晶格常数、体积、弹性常数、熔点、弹性模量、维氏硬度、断裂韧性和态密度。结果表明,二硼化物固溶体(Ti/Zr)1-x(Ta/Nb)xB2的结构稳定性随掺杂浓度的增加而降低。Ti1-x(Ta/Nb)xB2的体积随着掺杂浓度的增加而增加,这是因为Ta和Nb的原子半径大于Ti。而Zr1-x(Ta/Nb)xB2的体积逐渐变小,这归因于Ta和Nb的原子半径比Zr小。并且,二硼化物固溶体 (Ti/Zr)1-x(Ta/Nb)xB2是力学性质稳定的脆性材料。特别地是,Ta和Nb的掺杂剂可明显改善固溶体(Ti/Zr)1-x(Ta/Nb)xB2的脆性和体积模量以及断裂韧性,但硬度会降低。     

Ni(001)/Ni_3Nb(001)面界面性质的第一性原理研究(英文)

采用第一性原理赝势平面波的方法研究Ni(001)、Ni3Nb(001)表面和Ni/Ni3Nb(001)界面。计算界面终端为Ni或Ni+Nb,堆积方式为顶部位置或空心位置这4种界面模型的粘附功、稳定性及电子结构。结果表明:Ni(001)和Ni3Nb(001)表面具有8个原子层时展现出较好的体相似性;以Ni+Nb为界面终端,堆积方式为空心位置的界面模型具有最大的结合强度和临界裂纹扩展应力,且具有最好的热稳定性。该模型界面处的Ni原子和Nb原子之间是共价键,这主要是由Nb 4d和Ni 3d轨道的电子贡献的。比较Ni/Ni3Nb(001)界面和Ni/Ni3Al(001)界面的性质可知,前者的热稳定性比后者的差,且更难形成界面,但是Ni/Ni3Nb(001)界面的形成能改善镍基合金的力学性能。     

NiTi短纤维对Ti(C,N)基金属陶瓷组织和性能的影响

本文研究了添加直径为0.08mm、长度为2mm、添加量0～16wt%、等原子比的NiTi合金短纤维对Ti(C,N)基金属陶瓷组织和性能的影响,试样采用粉末冶金的方法制备,采用OM、XRD、SEM等对其进行分析。结果表明,压制成型时,随着NiTi短纤维加入量的增加,原料的流动性逐渐变差,导致压成的素坯的致密度降低;在烧结过程中,由于大部分Ni形成Ni-Co固溶体或被蒸发,因此大部分NiTi合金的原子比被破坏,烧结时液态的NiTi会填充试样内部的空隙,由于素坯的致密度较低,液相不能完全填充,导致在冷却后金属陶瓷中出现了许多孔洞,且随着NiTi合金短纤维加入量的增加,金属陶瓷的孔洞逐渐增加,其致密度和抗弯强度也随着下降。     

LaNi4.5Al0.5储氢合金固溶相的密度泛函研究

基于密度泛函理论,采用全势线性缀加平面波方法（FLAPW）,研究LaNi4.5Al0.5储氢合金固溶相α-LaNi4.5Al0.5H0.5和α-LaNi4.5Al0.5H1.0中H原子的占位、态密度和电子密度,分析了H原子的加入对固溶体电子结构和稳定性的影响。结果表明：从能量角度计算得到α-LaNi4.5Al0.5H0.5中H原子最可能占据靠近Al的6m位,α-LaNi4.5Al0.5H1.0中的两个H原子最可能占据6m和4h＊位;随着H原子的增加,晶胞主要沿着c轴方向膨胀;Al和Ni,H之间的相互作用是合金含氢固溶体保持稳定的主要因素;态密度图中低能量区域的态密度越大固溶体越稳定;如果EF处于带隙的底部,则体系较稳定。计算结果与已有的实验结果非常一致。     

微合金钢中Mo对α-Fe/NbC界面影响的第一性原理研究

利用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了钼元素掺杂前后α-Fe/NbC界面的黏附功、界面能、电子结构和成键特征等性质。考虑了2种不同原子的终端界面,并分析了6种Mo原子置换位置对α-Fe/NbC界面结构的影响。结果表明:C终端界面结构的稳定性比Nb终端界面的稳定性更强,而Mo原子进入界面NbC侧置换Nb原子形成的α-Fe/(Nb,Mo) C界面则表现出比未掺杂界面更好的稳定性。因此,Mo对NbC在铁素体中的形核有一定的促进作用。另外,6种界面的差分电荷密度、态密度和Milliken布居分析也解释了Mo能强化α-Fe/NbC界面的原因。     

Ru合金化Ni/Ni3Al相界断裂功的第一原理计算

采用第一原理赝势平面波方法计算了Ru合金化前后γ-Ni／γ＇-Ni3Al相界的电子与能态结构,并比较强化元素Ru分别占据不同亚点阵位时对相界断裂强度的影响。结果表明：Ru置换Ni／Ni3AI相界区域中的Ni或Al原子,都可明显提高Ni／Ni3Al相界的断裂强度;尤其以Ru置换γ-Ni／γ＇-Ni3Al相界界面层的Al原子时,对相界的强化效果最好。电子态密度与电子密度分布图的分析结果显示：Ru合金化对γ-Ni／γ＇-Ni3Al相界的强化可归因于Ru与其最近邻Ni原子间强烈的电子相互作用引起的相界区域层间原子价键强度的增强。     

Ti6Al7Nb和Ti6Al4V合金的热氧化行为

在600～900℃温度下,0.5～72 h时间范围内空气气氛下对Ti6Al7Nb进行热氧化,根据增重曲线计算其氧化动力学规律,利用XRD、XPS分析表面氧化层的相组成、成分和价态,并以Ti6Al4V合金做为比照.结果表明,Ti6Al7Nb合金较Ti6Al4V合金抗氧化能力更强.同等氧化条件下,Ti6Al7Nb合金的氧化速率常数(k)更小.对短时间(1 h)氧化的样品的表面分析显示:各合金元素均以最高价态或稳定价态存在,其中Al和V被富集,而Nb则贫化;另外,Ti6Al7Nb合金和Ti6Al4V合金氧化层主要由金红石型TiO2(R-TiO2)组成,Al2O3相仅出现在900 ℃Ti6Al4V合金样品中.     

NiTi合金的电子结构及缺陷作用的符合正电子湮没研究

利用双探头符合系统，测量了纯金属Si、Ni、Ti以及5种不同成分的NiTi合金的正电子湮没辐射Doppler展宽谱，计算了NiTi合金的形参数。结果表明，当Ni原子和Ti原子形成NiTi合金时，两原子中均有部分3d电子被局域化并形成共价键，导致合金基体中参与形成金属键的自由电子减少。在NiTi合金中金属键和共价键同时存在。成分为Ni-49at％Ti合金的W参数最高，表明该成分的合金中所含的缺陷数量最少，这可能是该成分合金形状记忆效应较好的原因。