铌铝高温合金的增韧抗氧化改性及其冲击波合成研究

摘要

随着航空航天技术的飞速发展与进步，具有耐高温、高比强度、抗蠕变强度和抗氧化性能好的高温结构材料曰益受到重视。与Fe-Al系、Ni-Al系和Ti-Al系高温合金相比，具有高熔点、低密度、较高使用温度的铌铝合金被视为最有潜力的超高温材料之一。然而铌铝高温合金的脆性、较弱的高温强度和抗氧化性限制了其在工业中的应用，其微观结构与力学性能、断裂和氧化机理的关系仍有待进一步阐明。
　　鉴于此，本论文研究了铌铝高温合金对压力和轴向拉伸的响应;利用CALYPSO软件和结构类比法预测了铌铝合金的新结构;研究了合金表面的稳定性特征，并基于此研究了B原子替代提高合金抗氧化性的可行性，为提高铌铝合金的抗氧化性提供依据。此外，利用冲击波合成方法制备了铌铝高温合金。
　　研究表明，由于Nb-4d和Al-3p的杂化作用，四方Nb2Al中存在共价性成键，并在0～100GPa范围内保持稳定;利用Voigt-Reuss-Hill方法计算的体弹模量、剪切模量、杨氏模量、B/G和泊松比表明四方Nb2Al在高压下具有延展性;得到了高压下四方Nb2Al的德拜温度等热力学数据。四方NbAl3和立方Nb3Al的结构参数随着压力的增加而线性降低;由于高压下Nb-4d和Al-3p之间杂化作用的增加，导致两种化合物共价性的增强;计算结果说明四方NbAl3在83.2GPa处发生韧脆性转变。在四方NbAl3的轴向拉伸测试中，沿[100]和[101]轴向的拉伸使晶体从四方变为正交结构;NbAl3晶体在拉伸中展现脆性，并相应的增强了其硬度;研究发现NbAl3晶体力学性能的降低是共价性的减弱所导致的。
　　在CALYPSO软件预测的NbAl3结构中，Cm结构的稳定性不如常温常压下稳定存在的I4/mmm结构，但韧性有一定程度的增加;根据结构类比法设计了NbAl3的D023、单斜C1m1、三角R(3)m和L12结构，预测了结构相变的发生，并发现三角结构具有较好的延展性。Ti元素的添加没有明显改变NbAl3合金的稳定性，但NbAl3合金的a轴和c轴的抗变形能力降低，抗体积变形和抗剪切变形能力减弱，而韧性有所改善。
　　在表面形成后，Nb2Al(100)终止面的金属性增强，但共价性降低。计算得到了Nb2Al(100)和NbAl3低指数表面的功函数。原子弛豫和表面能说明(111)表面是最稳定的化学计量比表面;在所有低指数表面中，(110)-Al终止面在富铝和富铌条件下都是最稳定的表面。考虑到B元素活泼性比Al、Nb更强，采用第一性原理进行了B原子Al位替代提高NbAl3抗氧化的可行性研究，结果表明B原子替代后可与附近原子形成强离子键，吸引附近的原子;NbAl3(100)表面中Al1替代位稳定性强于同原子层的Al2替代位，并且两种替代位的稳定性均随着原子层数的增加而降低，因此B原子替代后可自发的沿着Al1替代位从晶体内部向表面偏聚，并在晶体表面与氧形成有效的抗氧化层。
　　在实验制备中，利用二级轻气炮加载手段，研究了冲击波合成方法制备铌铝合金的可行性。通过设计和改进样品回收盒，在2.52 km/s和2.60 km/s冲击速度下成功制备铌铝合金。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状及发展动态

1．3 本论文的主要研究内容

第二章 理论计算方法及冲击加载实验原理

2．1 Born-Oppenheimer近似与Hartree-Fock近似

2．2 密度泛函理论

2．2．1 Thomas-Fermi-Dirac模型

2．2．2 Hohenberg-Kohn定理

2．2．3 Kohn-Sham方程

2．3 交换关联泛函

2．4 CALYPSO软件简介

2．4．1 CALYPSO的工作原理

2．4．2 CALYPSO的功能介绍

2．5 气炮加载实验原理

2．5．1 轻气炮工作原理

2．5．2 磁测速工作原理

2．5．3 样品的冲击加载合成过程

第三章 铌铝合金对压力及轴向拉力的响应

3．1 Nb2Al合金的第一性原理研究

3．1．1 计算方法与模型

3．1．2 压力下Nb2Al的电子结构

3．1．3 压力下Nb2Al的力学性能

3．2 NbAl3和Nb3Al合金的第一性原理研究

3．2．1 计算方法与模型

3．2．2 压力下NbAl3和Nb3Al的电子结构

3．2．3 压力下NbAl3和Nb3Al的力学性质

3．3 NbAl3合金轴向拉伸的第一性原理研究

3．3．1 计算方法与模型

3．3．2 轴向拉伸下NbAl3的力学性质

3．3．3 轴向拉伸下NbAl3的电子结构

3．4 本章小结

第四章 铌铝合金的增韧改性研究

4．1 CALYPSO预测NbAl3的新结构及其第一性原理研究

4．1．1 计算方法与结构参数

4．1．2 NbAl3结构的力学性质

4．2 类比法设计NbAl3的新结构及其第一性原理研究

4．2．1 计算参数与模型

4．2．2 几何结构优化

4．2．3 不同结构的力学性质

4．3 钛元素对铌铝合金增韧改性的影响

4．3．1 计算方法

4．3．2 Nb-Al-Ti合金的稳定性及力学性质

4．4 本章小结

第五章 铌铝合金的表面特性及其抗氧化研究

5．1 Nb2Al合金(100)表面的第一性原理研究

5．1．1 计算方法与模型

5．1．2 Nb2Al(100)表面的电子结构

5．1．3 Nb2Al(100)面的表面能及其稳定性

5．2 NbAl3合金低指数表面的第一性原理研究

5．2．1 计算方法与模型

5．2．2 NbAl3表面的结构弛豫

5．2．3 NbAl3表面的电子结构

3．2．4 NbAl3表面的稳定性研究

5．3 NbAl3合金的抗氧化改性研究

5．3．1 计算方法与模型

5．3．2 NbAl3(100)表面的晶界偏聚

5．3．3 NbAl3(100)表面的电子结构

5．4 本章小结

第六章 铌铝合金的冲击波合成研究

6．1 冲击波合成铌铝合金

6．1．1 铌、铝粉末的化学预压

6．1．2 冲击压缩加载实验装置与合成参数

6．2 样品的回收与检测

6．2．1 样品的回收

6．2．2 样品的检测

结论

1．论文主要结论与创新

2．后续工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间公开发表的论文及科研成果