La和Zr双掺杂γ-TiAl基合金延性与电子性质的第一性原理研究

以密度泛函平面波赝势方法为基础,计算研究了16个La和(或)Zr替代掺杂γ-TiAl体系(S_1,S_2,S_3,S_4,S_(51)~S_(55),S_(61)~S_(65),S_7和S_8)的结构与性质。对平均形成能的计算分析表明,它们均有较好的能量稳定性;根据弹性常量和Born-Huang判据预测,除S_(61)外,15个掺杂体系均具有力学稳定性,预报它们是可以实际制备并稳定存在的。通过对比各体系的弹性模量比,发现La和Zr双掺杂体系的延性(特别是S_(51),S_(52),S_(63)和S_(64))明显改善,且双掺杂体系的延性与杂质原子的相对位置关系不大。布居数、电荷密度分布计算和分析揭示,La和Zr双掺杂γ-TiAl体系各向同性程度提高、延性改善的原因在于体系中Ti 4s→3d,Al 3s→3p电荷转移明显减少、自由电子数量增多,导致p-d轨道杂化作用减弱,Al(La,Zr)-Ti共价键数量减少和Ti-Ti共价键结合强度显著增强,化学键Al-Al,Ti-Ti和Al-Ti的强度明显趋同、金属性增强。     

影响Nb替位掺杂γ-TiAl基合金延性的电子性质因素

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,计算研究了影响Nb替位Ti(或Al)掺杂,且浓度为1.85%,2.78%,4.17%,6.25%(原子分数,下同)的γ-Ti Al合金延性的电子性质因素。结果显示,Nb替位掺杂具有较好的能量稳定性,且不同掺杂浓度引起的晶格参量的改变不同。当Nb替代Al原子且掺杂浓度为1.85%~4.17%时,合金的轴比将会减小更接近于1,此时合金的延性改善效果明显,就所研究的晶胞模型而言,Ti_(12)Al_(11)Nb合金的延性最佳。故以掺杂浓度为4.17%的Ti_(12)Al_(11)Nb和Ti_(11)Nb Al_(12)合金为例,研究掺杂Nb改善γ-Ti Al基合金延性的电子结构因素。研究结果表明:在该掺杂浓度情况下,Nb替代Al原子使Ti 4s→3d,Al 3s→3p的电荷转移明显减少,Al p-Ti d轨道杂化作用减弱,形成金属键的自由电子数量增多,金属性增强,合金延性得到改善;Nb替代Al原子掺杂会使合金的共价性减弱,且化学键Al-Al,Ti-Ti和Al-Ti强度明显趋同,这将会显著提高γ-Ti Al基合金的各向同性程度,从而使该类合金的延性得以改善。     

电子结构对La,Zr双掺杂γ-TiAl基合金延性的影响

γ-TiAl基合金具有优良的高温性能,且低密度、高比强度,在航空航天等领域备受青睐,室温延性差则制约着此类材料的广泛应用。以密度泛函平面波赝势方法为基础,计算研究了16个La和（或）Zr替代掺杂γ-TiAl体系（S1,S2,S3,S4,S51~S55,S61~S65,S7和S8）的结构与性质。对平均形成能的计算分析表明,它们均有较好的能量稳定性;根据弹性常量和Born-Huang判据预测,除S61外,15个掺杂体系均具有力学稳定性,预报它们是可以实际制备并稳定存在的。通过对比各体系的弹性模量比,发现La和Zr双掺杂体系的延性（特别是S51,S52,S63和S64）明显改善,且双掺杂体系的延性与杂质原子的相对位置关系不大。布居数、电荷密度分布计算和分析揭示,La和Zr双掺杂γ-TiAl体系各向同性程度提高、延性改善的原因在于体系中Ti4s→3d,Al3s→3p电荷转移明显减少、自由电子数量增多,导致p-d轨道杂化作用减弱,Al（La,Zr）-Ti共价键数量减少和Ti-Ti共价键结合强度显著增强,化学键Al-Al,Ti-Ti和Al-Ti的强度明显趋同、金属性增强。