B2型TiAl基合金相稳定性和弹性性质的第一原理计算

摘要

采用基于密度泛函理论的第一原理赝势平面波方法,计算了B2-TiAl-X(X=Cr、Mo、Nb、W、Zr和Hf)、B2-Ti50(Al50-xNb/Crx)(x=6.25,9.375,12.5,18.75,25at.％)晶体的电子、能态结构和弹性性质,通过合金形成热和Born稳定性判据分别考察了过渡金属元素x在B2-TiAl晶体中的择优占位趋势与力学稳定性,并采用Cauchy压力参数(C12-C44)和G/B比值表征和评判了X对B2-TiAl-X晶体力学性质的影响。结果表明:
　　 (1)Cr、Mo、Nb、Zr和W在B2-TiAl晶体中优先占据Al原子位,Hf则主要占据Ti原子位。添加Cr或Zr后,B2型Ti4Al3Zr和Ti4Al3Zr合金的延性相对于丫型TiAl合金有所提高,而B2型TiAl合金的Nb、Mo或Hf合金化则没有这种韧化效果。
　　 (2)添加Nb浓度约大于8.O at.％时,B2型TiAl-Nb合金才稳定存在；B2-Ti50(Al50-xNbx)晶体的稳定性随着Nb合金化浓度的升高而减弱,弹性模量呈递增趋势,而延性则整体下降。Nb含量为9.375 at.％时B2型Ti50(Al50-xNbx)合金的延性相对最好。
　　 (3)Cr使B2相TiAl合金稳定存在的最低浓度约为9.0 at.％,随着Cr含量的升高,B2-Ti—Al—Cr合金的稳定性增强,结合强度增大。B2-Ti50-Al-Crx合金弹性体模量(B、G和E)在x=12.5～25.O at.％浓度区间呈单调递增,且合金的塑性得到明显改善。同时,基于电子态密度的分析,Nb对B2.Ti50(Al50-xNbx)晶体稳定性和Cr对B2-Ti50(Al50-xCrx)晶体稳定性的影响可得到初步解释。