多元合金化对钛铝合金高温抗氧化性能的研究

摘要

γ-TiAl合金与传统钛合金和高温合金相比具有密度低、抗蠕变性能好、比强度和比模量高等优点，使用温度达750～900℃，因此最有希望作为航空发动机高温部件材料。但其高温抗氧化能力不足限制了其作为高温结构材料的应用。为进一步提高钛铝合金高温抗氧化性能和抗腐蚀性能，本文利用MaterialsStudio软件中基于密度泛函理论的赝势平面波方法(CASTEP)模块对研究多种元素同时掺杂对γ-TiAl高温氧化的影响进行研究，发现：1)添加合金元素能够降低Al的空位形成能，增大Ti的空位形成能，促进Al向表面扩散。合金元素使得Ti与其他原子的相互作用增强，而减弱了Al与其他原子的相互作用，也促进Al向表面扩散。Al向表面扩散形成Al2O3致密氧化膜，提高了γ-TiAl合金的抗氧化性。2)γ-TiAl氧化时同时存在着内外氧化。合金元素添加降低了γ-TiAl中O离子浓度，从而降低了内氧化的速度。掺杂合金元素能够增强O与Ti、Al及其它合金元素间相互作用，在一定程度上阻碍氧的扩散，降低了γ-TiAl合金内氧化速度，提高了γ-TiAl得抗氧化性。3)氧于γ-TiAl基合金表面的表面吸附是化学吸附，在Nb与Si共同掺杂时，使吸附更容易发生。γ-TiAl合金的表面氧与Al和Ti间同时存在共价和离子键作用。吸附氧与Al的共价相互作用比与Ti的强，但Al的离子键作用弱，但总的作用差别并不大，这就使得TiAl金属间化合物氧化时，能够同时生成TiO2和Al2O3。同时Si直接与氧发生氧化生成的SiO2与Al2O3层一起阻碍内氧化的进行。Nb、Si共同掺杂时，Nb主要在基体中起作用，Si主要在表面起作用，两种作用可以叠加，即Nb、Si共同掺杂比单独添加使γ-TiAl合金具有更高的抗氧化性能。

目录

文摘

英文文摘

第一章 引言

一、钛铝合金简介

(一)钛铝合金的特性

(二)钛铝合金的应用

二、γ-TiAl合金高温氧化研究进展

(一)γ-TiAl基合金的高温氧化

(二)合金元素对γ-TiAl 合金高温氧化的影响

(三)表面改性

(四)γ-TiAl合金高温氧化机理的理论研究

三、选题意义及研究内容

第二章 密度泛函理论

一、Hohenberg-Kohn理论

二、Kohn-Sham方程

三、局域密度近似(LDA)

四、广义梯度近似(GGA)

五、赝势

六、基于密度泛函理论的CASTEP模块

第三章 多元合金化对γ-TiAl合金氧化膜生长影响

一、计算方法及模型

二、结果及分析

(一)多元合金化对γ-TiAl合金氧化膜生长的影响

(二)氧在间隙掺杂,合金元素对其扩散的影响

三、小结论

第四章 合金元素对钛铝合金表面氧吸附影响机理研究

一、计算方法及模型

二、结果及分析

(一)氧表面吸附与氧化物形核

(二)γ-TiAl(111)/O吸附前后体系电子结构

(三)表面原子结构电荷布局分析

三、小结论

结 论

参考文献

个人简历

致谢