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。     

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。     

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。     

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。     

5d过渡金属掺杂γ-TiAl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平面波赝势方法,系统地研究了5d过渡金属在γ-TiAl合金中的占位及占位方式,获得了过渡金属掺杂合金体系的形成能、几何结构、电子结构及电荷布居值等参数.结果表明:5d过渡金属元素Hf、Ta和W优先占据γ-TiAl合金中的Ti位;Os、Ir、Pt、Au等优先占据Al位;Re则既有占据Ti位的可能,也有占据Al位的可能,但占据Al位的趋势略大.通过对不同元素掺杂体系的能带结构、态密度和电荷布居值的计算和分析,进一步验证了不同过渡金属元素在TiAl合金中的占位规律,解释了5d过渡金属掺杂对TiAl合金体系结构和性能的影响.     

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。     

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。     

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.     

金属掺杂改善HfO2阻变存储器(RRAM)氧空位导电细丝性能

本研究采用金属掺杂的方式调控氧空位导电细丝的电子结构以获得更好的器件性能.计算了HfO2体系中四组氧空位的形成能,得到VO4-VO23-VO34-VO46最易形成的氧空位簇;分波电荷态密度进一步表明在[010]晶向上电荷聚集形成导电通道.另外,研究了Ag、Mg、Ni、Cu、Al、Ta、Ti掺杂对该缺陷体系电子结构的影响,显示Ni与其它金属相比,在共缺陷体系中最易形成,体系最稳定;VO-Ni共缺陷体系中导电细丝最均匀,最高等势面值最大,证明导电细丝最易形成;VO-Ni之间相互作用能为-2.335 eV,表明缺陷相互吸引;金属Ni具有很强的局域电子能力.     

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.     

Ti_2AlNb基合金表面磁控溅射Al/Al_2O_3薄膜及扩散处理对其抗高温氧化性能的影响

为提高Ti2Al Nb合金的抗高温氧化性能,在Ti2AlNb合金表面磁控溅射Al/Al2O3薄膜,于真空退火炉内对其进行600℃,1 h扩散处理后,分别在650,750,850℃下氧化100 h。利用XRD,SEM,EDS技术对基体和扩散试样的相组成、微观形貌进行了分析;研究了Al/Al2O3薄膜扩散层的抗高温氧化性能及扩散处理对Al/Al2O3薄膜氧化动力学曲线的影响。结果表明:Al/Al2O3薄膜扩散层的氧化行为受氧离子渗入薄膜运动过程的控制,在高温条件下表层形成连续致密的Al2O3膜,使薄膜扩散层的氧化系数远低于基体,并且次表层的富铝相能有效阻止氧离子扩散通道的形成,减少基体与氧化性气体接触,从而显著提高Ti2Al Nb基合金的抗高温氧化性能。     

Ti3Al基合金室温塑性的改善方法

结合Ti3Al基合金室温塑性的主要影响因素,总结了Ti3Al基合金改善塑性的方法,这些方法包括:合金化、细化晶粒、热处理、控制间隙元素含量等.合金化元素主要包括Mo,V,Nb 3种,它们的加入稳定了塑性相,提高了合金塑性.细化晶粒一方面可缩短滑移带长度,减少晶界的应变集中,使裂纹形核变得困难;另一方面由于细晶材料的塑性变形协调性较好,有利于更多滑移系的开动.热处理通过控制组织达到改善塑性的目的.间隙元素严重影响合金塑性,控制其含量是改善塑性的重要手段.     

NiCrAlYSi涂层与镍基高温合金基体互扩散行为研究

采用电弧离子镀方法在镍基高温合金DZ125上沉积NiCrAlYSi涂层,通过对不同氧化时间后Al和Cr原子浓度分布曲线的分析,运用Boltzmann-matano方法,计算了Al和Cr元素在1373K分别加热0.5,2h和5h的互扩散系数,并拟合了这三个时间段的计算结果.结果表明:相同温度下,Al和Cr的互扩散系数分别随Al和Cr的原子浓度增加而增大.随氧化时间的延长,Al的互扩散系数随原子浓度的变化先增大然后基本不变,Cr的互扩散系数则逐渐减小;伴随着元素间互扩散行为的增强,涂层中的Al和Cr向基体扩散,基体合金元素Ni,Co,Mo,Ti和W则向涂层扩散,但涂层中Mo和Ti的含量相对较少.由于元素间互扩散行为,涂层中各元素的含量将趋向于更加均匀.     

缺陷对RRAM材料阻变机理的影响

基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理和VASP仿真软件,分析了阻变随机存储器(RRAM)阻变效应的物理机制。对比计算了单斜晶相HfO2中Ag掺杂体系、氧空位缺陷体系和Ag及氧空位缺陷共掺杂复合缺陷体系的能带、态密度、分波电荷态密度面和形成能,结果表明在相同浓度下Ag掺杂体系能形成导电通道,而氧空位缺陷体系不能形成导电通道;共掺杂体系中其阻变机制以Ag传导为主,氧空位缺陷为辅,且其形成能变小,体系更加稳定。计算共掺杂体系的布居数和迁移势垒,得出在氧空位缺陷存在的前提下,Ag—O键长明显增加,Ag离子的迁移势垒变小,电化学性能增强。进一步计算了缺陷间的相互作用能,其值为负,表明缺陷间具有相互缔合作用,体系更加稳定。     

纯Fe表面机械研磨处理对Ti原子扩散特性影响的第一性原理计算及实验验证

基于密度泛函理论的第一性原理方法,计算了空位对纯Fe晶格常数、局域态密度和热力学参数的影响规律,结合Ti原子在纯Fe中的过渡态搜索,阐明了空位对纯Fe表面Ti原子扩散特性的作用机制。模拟计算表明,引入空位后,体系晶格常数和局域态密度减小,Helmholtz自由能和结合能降低,声子振动内能、熵值和等容热容增加。bcc-Fe的3×3×3超胞含一个空位和两个空位时Ti原子的扩散势垒分别为0.659 eV和0.353 eV。不同温度下体系的扩散系数表明,纯Fe经表面机械研磨处理(SMAT)后,其在673 K即可达到未机械研磨时1 073 K的Ti原子扩散效果。在实验验证环节,借助扫描电镜(SEM)、能谱(EDS)仪和X射线衍射(XRD)仪观察及表征了Fe试样经SMAT处理和673 K双层辉光等离子渗Ti处理后的微观组织、截面元素分布及渗层物相结构。结果表明,增加空位浓度可以有效降低等离子渗钛温度,纯Fe表面生成了12μm左右的渗Ti层。本工作可为通过调控空位浓度实现低温渗钛的研究提供参考。     

合金化对铌基固溶体合金和铌硅化物基合金室温断裂韧性影响的研究进展

Ti、Cr和Al的添加改变了铌基固溶体合金的弹性常数,从而改变了其点阵位移势(UP-N).采用表面能(γs)与点阵位移势(UP-N)之比可预测合金的室温断裂韧性.Ti的添加降低了点阵位移势、提高了位错的移动能力,从而提高了铌基固溶体合金的室温断裂韧性;而Cr和Al的作用与Ti相反.简要介绍了K.S.Chan等建立的室温断裂韧性计算模型,同时介绍了合金化元素Ti、Mo、Hf和B等对铌硅化物基合金室温断裂韧性的影响.其中Ti、Hf和B的添加能提高铌硅化物基合金的室温断裂韧性.     

Ti/Al2O3复合材料性能研究

本文利用放电等离子烧结技术制备了致密的Ti/Al2O3复合材料.实验结果表明,60vol%Al2O3和80vol%Al2O3的Ti/Al2O3复合材料,界面处生成少量的TiAl,使得Ti与Al2O3间的界面能大于其单个晶粒的界面能,复合材料性能随Ti含量的增加而增大;40vol%Al2O3和20vol%Al2O3的Ti/Al2O3复合材料,界面处生成脆性的Ti3Al相,使得Ti与Al2O3间的界面能小于各自晶粒的界面能,材料的性能随Ti含量的增加而降低,同时断裂的模式也发生改变,由穿晶断裂为主转变为沿晶断裂,脆性的Ti3Al相是Ti/Al2O3复合材料力学性能降低的主要原因.     

AlF3掺杂氧化铝陶瓷的高灵敏辐照诱导相分离行为

放电等离子体烧结的AlF₃掺杂氧化铝陶瓷在透射电镜(TEM)常规观察条件下发现了一种电子辐照诱导快速相分离行为。在透射电镜的电子辐照下, 球形纳米晶Al颗粒在几秒钟内从原始氧化铝晶粒表面析出。高分辨TEM观察结合衍射花样分析发现原始的F掺杂氧化铝晶粒表面为高度缺陷态, 电子辐照后, 随着Al纳米颗粒析出, 氧化铝晶粒表面的缺陷消失。通过对掺杂过程缺陷反应及氧化铝阳离子亚晶格的深入分析, 提出了一种缺陷辅助间隙原子偏析机理来解释这一现象。即掺杂F离子首先占据氧空位的同时Al离子占据间隙位, 当氧空位被全部占据时, F和Al离子同时占据基体八面体间隙位, 并形成了亚稳定的掺杂态。在氧化铝基体1/3 [11ˉ00]不全位错的作用下, 畸变的阳离子亚晶格产生双聚八面体间隙位。当这些双聚八面体空位被外来Al离子占据时, 正如高分辨图像所观察的, 形成了包含有三个原子层左右的堆垛层错。同时, 沿着层错偏聚在双聚八面体位的掺杂Al离子扮演了析出物早期的角色, 在电子辐照下随着F离子的烧蚀, 不稳定的偏聚Al离子析出成为纳米颗粒并伴随着基体氧化铝的晶格重构。     

SrTiO3材料中氧空位的密度泛函理论

计算了SrTiO3-δ（δ=0，δ=0．125）体系电子结构，分析了氧空位对SrTiO3晶体的价键结构、能带、态密度、分波态密度、差分电荷密度的影响。所有计算都是基于密度泛函理论（DFT）框架下的第一性原理平面波超软赝势方法。计算结果表明：当氧空位浓度δ=0．125时，空位在母体化合物SrTiO3中引入了大量的传导电子，费米能级进入导带，体系显示金属型导电性。由于空位掺杂，导带底附近的态密度发生了畸变，刚性能带模型不再适合描述SrTiO2.875体系。同时，在导带底附近距离费米能级0．3eV处引入了空位能级，这和实验测得的SrTiO3材料内中性氧空位的电离能约为0．4eV相符。此外，Mulliken布局分析、分波态密度和差分电荷密度分析表明，该空位能级主要由与其最近邻的两个Ti原子的3d电子态贡献，并且由该空位引入的导电电子大部分都局域在空位最近邻的两个Ti原子周围。最后，计算了三种典型平衡条件下SrTiO3晶体内中性氧空位的形成能。