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。     

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.     

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。     

铌和钨对γ-TiAl基合金热稳定性的影响

采用光学显微镜(OM)，扫描电镜(SEM)，X射线衍射研究了TiAl—5Nb，TiAl—14．3Nb，TiAl—8Nb—1W，TiAl—12．3Nb-2W四种合金片层组织在1000℃的热稳定性。结果表明，TiAl—12．3Nb-2W合金热稳定性最好，但合金元素对TiAl基合金热稳定性的影响机理还有待进一步的研究。     

γ-TiAl基合金机械性能的研究发展

对国内外基于办学模型的γ-TiAl合金的弹性和塑性性能与其微结构的关系的研究进展进行了详细的论述.同时,概述了作者运用细观力学的方法对TiAl合金的弹性和塑性性能的主要研究工作,指出γ-TiAl合金的研究和发展方向.     

轻质高温结构材料--γ-TiAl基合金的研究动向

γ-TiAl基合金被认为是非常有前途的新型轻质高温结构材料,在航空航天、汽车等领域具有广阔的应用前景.简要介绍了γ-TiAl基合金的研究概况,并从高铌合金化、复合化、纳米化等方面着重阐述了其今后的发展趋势.     

全片层γ-TiAl基合金屈服应力的微结构尺度效应

本文基于多位错塞积模型,研究了γ-TiAl基全片层组织合金的屈服应力与微观结构多尺度的关系,给出了全片层γ-TiAl基合金屈服应力的解析计算公式.重点分析了合金中PST颗粒片层界面强度τλc、晶界强度τdc、片层厚度λ及PST颗粒大小尺度d对合金屈服应力大小的影响.     

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。     

Cr和Mo掺杂对单层WSe_2能带结构影响的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势方法,研究了Cr和Mo掺杂对单层WSe2能带结构的影响。计算结果表明,Mo对单层WSe2的能带结构没有影响,而Cr则影响很大。随着掺杂浓度的增加,带隙宽度逐渐减小,能带由原来的直接带隙变为了间接带隙。Cr掺杂后所产生的应力是导致能带结构发生变化的直接原因。     

磁控溅射Zr掺杂ITO薄膜在3种模拟腐蚀环境中的电学稳定性和耐腐蚀性

过去,鲜有Zr掺杂氧化铟锡（ITO）薄膜电学稳定性及耐蚀性的研究报道。采用磁控溅射法制备了ITO薄膜和Zr掺杂ITO薄膜（ITO：Zr）,研究了2种薄膜的微观结构、光电性能及其在3种模拟腐蚀环境（酸性、海洋、工业）腐蚀液中的电学稳定性及耐腐蚀性。结果表明：Zr的掺杂导致了ITO薄膜择优取向向（400）晶面转变,ITO：Zr薄膜比ITO薄膜具有更好的光电性能;2种薄膜在3种环境介质中都能发生自钝化,在工业环境中具有最好的耐腐蚀性能;ITO：Zr薄膜比ITO薄膜具有更好的电学稳定性和耐腐蚀性。     

Cu掺杂对Inconel 718合金Laves相稳定性的影响

采用第一性原理计算与实验相结合的方法,研究了Cu掺杂对Inconel 718合金中Laves相的影响。构建了Laves相Fe₈Nb₄晶胞的掺杂模型,计算分析了Cu掺杂前后体系的平衡晶格常数、形成热、结合能、电荷差分密度以及弹性常数等。计算结果表明,Cu元素掺杂Laves相后,体系发生晶格畸变,稳定性降低;Cu原子掺杂增加了Laves相的硬度,但对体系塑性的影响比较复杂。实验结果表明,Cu能够固溶到Laves相中,降低Laves相的固溶温度,Cu掺杂Laves相导致体系原子间结合强度的降低是造成Laves相固溶温度降低的本质原因。     

硫族MAX相硼化物的物相稳定性和性能预测

Zr₂SB、Hf₂SB、Zr₂Se B、Hf₂Se B、Hf₂Te B都是近期发现的硫族MAX相硼化物,与典型MAX相相比,具有明显不同的性质,因此备受人们关注。本文采用第一性原理并结合“线性优化法”、键刚度模型和准简谐近似研究了MAX相硼化物(M=Zr,Hf;A=S,Se,Te)的物相稳定性、力学性能和热性能。理论分析结果与目前可用的实验结果一致。经热力学和本征稳定性分析后发现,只有M₂AB可以稳定存在。较短的M-A键与M-B键长使Hf系化合物的键刚度高于Zr系化合物,这也同样导致Hf系化合物的硬度高于Zr系。随着A元素由S到Se再到Te,M-B与M-A键长逐渐增加,键刚度减小导致弹性模量降低。而且,这些化合物的体积模量取决于其平均化学键刚度。更加重要的是,最弱键和最强键的刚度比(k_min/k_max)较高,显示这些MAX相硼化物不同于传统MAX相,均呈本征脆性。考虑晶格振动(声子)和电子激发的贡献后计算得到M<...     

S和Al掺杂单层g-C3N4电子结构与光学性质的第一性原理研究

g-C₃N₄是一种典型的聚合物半导体材料,在可见光下就能完成对半导体要求较高的光催化反应。采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法研究了单层g-C₃N₄、S单掺g-C₃N₄、Al单掺g-C₃N₄和S-Al共掺g-C₃N₄的形成能、电子结构及光学性质。结果表明：S掺杂空隙I位置、Al掺杂N2位置时,杂质原子最易掺入g-C₃N₄体系。与单层g-C₃N₄相比,掺杂后的体系均发生了晶格畸变以及红移现象,拓展了体系的光吸收范围,可推测出S、Al掺杂能够提高g-C₃N₄体系的光催化性。其中,S-Al共掺杂体系的光催化性是最优的,原因是共掺杂体系的分子轨道有较强的离域性,有利于提高载流子的迁移率,并且共掺杂能使单掺杂引入的深能级变浅,减少杂质能...     

Ge、Si元素对ZrO2和Zr(Fe,Cr)2能量与电子结构的影响

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,研究Ge、Si元素对锆合金中与腐蚀相关的ZrO_2氧化膜相和Zr(Fe,Cr)_2第二相能量与电子结构的影响。合金形成热、结合能的计算结果表明:ZrO_2四方相结构不稳定,立方相易形成且结构稳定,氧化膜晶体结构从四方相向立方相发生转变影响锆合金的耐腐蚀性能;Ge、Si元素均降低ZrO_2立方相的结构稳定性和形成能力,与Ge相比,Si易取代Zr(Fe,Cr)_2第二相中的Cr,增加锆合金Fe/Cr原子比。电子态密度和Mulliken电子占据数的计算结果表明:ZrO_2中Zr与O存在杂化共振与较强的离子键作用,Ge、Si降低ZrO_2立方相结构稳定性的原因主要在于削弱了Zr-O之间的离子键作用;ZrO_2氧化膜相和Zr(Fe,Cr)_2第二相是影响锆合金耐腐蚀性能的两个重要因素,对Si而言,形成含Si的Zr(Fe,Cr)_2第二相对锆合金耐腐蚀性能产生不利影响,改善锆合金耐腐蚀性能需要ZrO_2晶体结构改变占主导地位;对Ge而言,含Ge的Zr(Fe,Cr)_2第二相难形成,第二相对锆合金耐腐蚀性能的影响相对Si较小,减缓ZrO_2由四方相向立方相的转变倾向,是Ge改善锆合金耐腐蚀性能的重要原因。