cr、V在Ti-Al系合金中合金化效应及扩散理论研究

摘要

Ti-Al系合金具有低密度，良好的高温强度、抗蠕变和抗氧化能力，其密度只是Ni基高温合金的一半，因而常用作Ni基高温合金低温段的候选材料，是航天、航空飞行器理想的新型高温结构材料。但由于其硬度低，耐磨性较差，在用作滑动部件(如活塞锁，连杆轴及导杆等)时，容易与对磨材料粘着产生磨损，限制了其应用范围。很多学者在实验上对如何改善Ti-Al系合金的硬度和耐磨性都进行了研究，并取得了一定的成功，如Cr的合金化作用对硬度、耐磨性等的改善起到了主要作用等。但其微观强化机理和微观扩散原理目前尚不清楚，因此如何从原子层次上对其进行模拟并加以解释显的尤为重要。
　　 本文采用第一性原理对含Cr、C的Ti-Al系合金进行了研究。首先，基于第一性原理研究了合金元素Cr、V对Ti-Al系合金电子结构的影响，计算了含Cr、V的Ti-Al系合金的总能量、形成能、给合能和力学性能，从理论上解释了在Ti-Al系合金中固溶合金元素Cr后其性能得到改善的原因，并通过电荷密度和态密度的分布探讨Cr、V对Ti-Al系合金的微观作用机理。研究结果表明：合金元素Cr、V在Ti4Al4和Ti4Al12中固溶时都占据了Ti原子的位置，Cr固溶于Ti4Al4和Ti4Al12后的结构稳定性随着Cr含量的增加而增加；V固溶于Ti4Al4和Ti4Al12后的结构稳定性随V含量的增加而减小，而实际实验中固溶的V是微量的，因此微量V的溶入对复合化合物的稳定性影响不明显；微量的合金元素Cr、V就能较大幅度地提高Ti-Al系合金的力学性能(包括杨氏模量E、切变模量G和体模量B)，而材料的强度与切变模量G和杨氏模量E密切相关，G和E的值越大，材料的强度越高，耐磨性能越好。
　　 其次，本文还对措建的Ti-Al系合金(100)面进行晶体结构优化，系统地研究Cr、V在Ti—Al系台金(100)面中的扩散情况，并从电子结构角度分析了Cr、V在Ti—Al系合金中的强化机理，从理论上解释了表面Cr、V合金化后Ti-Al系合金性能得到改善的原因。当单个Cr或V原子向Ti5Al5和Ti5Al15中扩散的时候，其优先占据第二层Ti原子的位置，且占据第二层Ti原子时的结构稳定性晟好；当两个Cr或V原子向Ti5Al5和Ti5Al15中扩散的时候，它们优先同时占据第二层和第三层Ti原子的位置，且同时占据第二层和第三层Ti原子时的结构稳定性最好。并通过分析得出：在Ti-Al系合金中添加合金元素Cr后，使Cr3d轨道上的电子、Al3p轨道上的电子和Ti3d轨道上的电子相互杂化，结合能力变强；添加合金元素V后，使V3d轨道上的电子、Ti3d轨道上的电子和Al3p轨道上的电子相互杂化，结合能力增强。

目录

第一章 绪论

第二章第一性原理的研究方法与公式

第三章Cr、V在Ti-Al系合金中合金化效应的研究

第四章Cr、V在Ti-Al系合金中的扩散研究

第五章结论与展望

致谢

攻读硕士期间发表的论文

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