Al3Sc和Al2Cu强化相中点缺陷及原子扩散的第一性原理研究

摘要

点缺陷及原子扩散与材料的制备、热处理、以及蠕变过程有密切关系。研究基于点缺陷的原子扩散微观机制，对优化设计材料性能，改进材料加工工艺有重要指导意义，然而实验上研究点缺陷以及原子扩散是非常困难的，理论计算和模拟正好弥补了实验研究的不足。基于密度泛函理论的第一性原理计算，本论文深入研究了铝合金强化相Al3Sc和Al2Cu中的点缺陷以及原子扩散，主要研究内容如下:
　　1、运用第一原理计算研究了纯Al3Sc和过渡元素(TM=Ti，Y，Zr或Hf)掺杂的Al3Sc中的点缺陷及原子扩散。首先计算得到了点缺陷的形成能，结果表明:在极端富Al条件下，VSc的形成能较低，较AlSc更易形成;在极端富Sc条件下，ScAl较VAl更易形成。而在化学配比附近，VAl成为主要的缺陷。然后使用爬坡弹性带法得到了主要扩散路径的最小能量路径。结合点缺陷的形成能和原子扩散的迁移能垒，得到了原子扩散的激活能垒，结果表明:Al原子通过Al空位诱导的最近邻跳跃机制激活能垒最低，是主要的Al原子扩散机制，而其它扩散机制由于具有较高的激活能垒或不稳定的扩散终态，对扩散的贡献非常小。在富Al条件下，Sc原子主要通过最近邻跳跃机制扩散，而在富Sc条件下，反位协助机制更有利于Sc原子扩散。六跳跃机制和次近邻跳跃机制因激活能垒很高，不利于原子扩散。进一步研究了典型的过渡元素(Ti，Y，Zr或Hf)掺杂对原子扩散的影响。掺杂原子与基体原子失配度呈现Zr＜Hf＜Ti＜Y的增加趋势，原子主要扩散机制的激活能垒随着原子失配程度的增加而增加。
　　2、运用第一原理计算研究了θ'-Al2Cu相中的点缺陷和原子扩散。点缺陷形成能计算结果表明，在富Al条件下，AlCu缺陷较VCu缺陷形成能低，是主要的缺陷类型;在富Cu条件下，CuAl最易形成。通过计算晶格振动的声子谱，研究了零点能对点缺陷形成能量的影响。结果表明零点能对点缺陷形成能的影响较大，但并不能改变点缺陷形成能大小的相对顺序。基于点缺陷稳定性，进一步研究了θ'相中的原子扩散。结果表明Al原子的主要扩散机制是次近邻跳跃机制，而Cu原子的主要扩散机制为反位协助机制。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 铝及铝合金材料

1．1．1 铝的基本性质

1．1．2 铝合金的性质

1．1．3 铝合金的分类和应用领域

1．1．4 铝合金的研究现状

1．2 点缺陷与原子扩散

1．2．1 点缺陷

1．2．2 原子扩散

1．2．3 点缺陷和原子扩散对合金的影响

1．3 选题意义及研究内容

1．3．1 选题意义

1．3．2 研究内容

第二章 理论及研究方法

2．1 密度泛函理论

2．1．2 Hohenberg-Kohn定理

2．1．3 Kohn-Sham定理

2．1．4 交换关联泛函

2．2 计算细节与方法简介

2．2．1 VASP软件包简介

2．2．2 爬坡弹性带方法

第三章 Al3Sc强化相中点缺陷及原子扩散的理论研究

3．1 引言

3．2 计算方法

3．3 结果与讨论

3．3．1 晶体结构参数

3．3．2 点缺陷

3．3．3 原子扩散

3．3．4 掺杂对原子扩散的影响

3．4 本章小结

第四章 第一性原理研究Al2Cu强化相中点缺陷及原子扩散

4．1 引言

4．2 计算方法

4．3 结果与讨论

4．3．1 晶体结构参数

4．3．2 点缺陷

4．3．2 零点能对点缺陷结构的影晌

4．3．3 原子扩散

4．4 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 论文总结

5．2 研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的论文