Ti2AlN/TiAl界面结构的第一性原理研究

摘要

TiAl金属间化合物以其高比强度、高比刚度、良好的抗蠕变性能和较好的高温强度等优点被认为是高温结构件的理想材料，但是较低的室温塑性和成形性却限制了TiAl合金的应用。因此人们研究开发多种TiAl基复合材料，而Ti2AlN/TiAl复合材料近年来受到较多的关注。界面是Ti2AlN/TiAl复合材料质量好坏的关键，但是对其界面的微观研究还不充分。本文以Ti2AlN/TiAl复合材料的界面作为研究对象，运用第一性原理方法对 Ti2AlN/TiAl复合材料的界面稳定性、界面分离功、界面原子之间的电子结构等特性进行了分析。
　　首先，对TiAl块体、Ti2AlN块体、TiAl七个低指数表面、Ti2AlN(0001)三个终端表面和Ti2AlN(1120)表面结构及其稳定性进行了第一性原理计算。在所研究的七个TiAl低指数表面中，Ti终端的(001)面的表面能最大，Al终端的(110)面的表面能最小。而对于Ti2AlN的表面来说，能量由高到低依次是：N终端的(0001)面、Ti终端的(0001)面、Al终端的(0001)面、(1120)面。研究发现最外层和次最外层原子的电子结构是引起表面效应的主要因素，表面原子之间的结合强度和表面原子的电子结构与稳定性之间有较强的相关性。
　　其次，建立了五种由不同的表面形式组成的Ti2AlN/TiA界面模型，发现TiAl(111)/Ti2AlN(0001)-N终端界面的界面分离功较大，其中N在Ti-Al桥位的情况下的界面分离功最大，为5.4676 eV/nm2；其次是N-Ti(N-Al)成键的界面，它的界面分离功是4.3118 eV/nm2。还有可能存在的是TiAl(111)/Ti2AlN(1120)界面，它的界面分离功是0.25377eV/nm2。而剩余两种的界面分离功为负数，说明另外两种界面的存在的可能性较低。界面原子的电子密度和差分电荷密度显示了N-Ti键的结合强度最好。
　　最后，通过透射实验观察了Ti2AlN/TiAl复合材料界面，观察到了TiAl(111)/Ti2AlN(1120)界面的存在，位向关系是[110]TiAl//[1100]Ti2AlN，(111)TiAl//(1120)Ti2AlN；并通过查阅文献看到了TiAl(111)/Ti2AlN(0001)界面的存在，位向关系是[1120]Ti2AlN//[101]TiAl，(0001)Ti2AlN//(111)TiAl这与模拟的结果相同。对于观察结果和文献结果不同，可能是制备工艺不同造成的。但是两个不同的结果均在模拟中得到了相应的印证。

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第1章 绪 论

1.1课题背景及研究目的和意义

1.2 Ti2AlN/TiAl复合材料的研究现状

1.3 第一性原理基本原理及在材料中的应用

1.4 TiAl复合材料界面第一性原理的研究现状

1.5 本文主要研究内容

第2章 理论计算方法

2.1 密度泛函理论(DFT)

2.2 赝势和平面波基组

2.3 材料与试验方法

第3章 γ-TiAl块体和表面计算

3.1 γ-TiAl块体计算研究

3.2γ-TiAl表面计算研究

3.3 本章小结

第4章 Ti2AlN块体和表面计算

4.1 Ti2AlN块体计算

4.2 Ti2AlN表面计算

4.3 Ti2AlN块体和表面电子结构比较

4.4本章小结

第5章 Ti2AlN/TiAl界面的计算

5.1 TiAl(110)-Al终端/Ti2AlN(112?0)界面

5.2 TiAl(111)/Ti2AlN(112?0)界面

5.3 TiAl(001)-Al终端/Ti2AlN(112?0)界面

5.4 TiAl(111)/Ti2AlN(0001)-N终端界面

5.5 Ti2AlN/TiAl界面的试验验证

5.6 试验与模拟的比较分析

5.7 本章小结

结论

参考文献

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致谢