Co-X(X-Al,V)基高溫合金中γ’相的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、彈性和熱力學(xué)性質(zhì)的理論研究.pdf

1、Ni基高溫合金是航空航天領(lǐng)域應(yīng)用最廣的高溫材料。隨著國(guó)防科技的發(fā)展，新一代的航空航天飛機(jī)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片材料的承溫能力提出更高的要求。然而Ni基高溫合金受熔點(diǎn)的限制，其服役溫度很難進(jìn)一步提高。尋找下一代高溫合金成為國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)的關(guān)注焦點(diǎn)。最近，研究者們陸續(xù)在Co-Al基和Co-V基合金中發(fā)現(xiàn)與Ni3Al類似的γ'析出強(qiáng)化相，由此掀起了新型鈷基高溫合金的研究熱潮。作為新型Co基高溫合金中的關(guān)鍵強(qiáng)化相，γ'相的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和彈性性質(zhì)直接決定

2、了Co基高溫合金的綜合力學(xué)性能。然而實(shí)驗(yàn)上往往通過(guò)嘗試法來(lái)選擇合適的合金化元素以穩(wěn)定化γ'相，且實(shí)驗(yàn)上很難對(duì)亞穩(wěn)定的γ'相的性質(zhì)進(jìn)行測(cè)量和表征。因此，為指導(dǎo)γ'相強(qiáng)化型Co基高溫合金的設(shè)計(jì)和開發(fā)，有必要從理論角度研究合金化元素對(duì)γ'相的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和彈性性質(zhì)的影響，并進(jìn)一步完善γ'相的熱力學(xué)信息。
　　本論文采用基于密度泛函理論的第一性原理方法系統(tǒng)研究了Co-Al基和Co-V基高溫合金中γ'相的電子結(jié)構(gòu)、彈性性質(zhì)和熱力學(xué)性質(zhì)。闡明了

3、W濃度對(duì)γ'-Co3Al相彈性性質(zhì)的影響，并討論了γ'-Co3V相的高溫穩(wěn)定性以及合金元素對(duì)γ'-Co3V相的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和彈性性質(zhì)的影響，具體的研究?jī)?nèi)容如下:
　　(1)基于密度泛函理論的第一性原理方法和準(zhǔn)簡(jiǎn)諧德拜模型，研究了W濃度對(duì)γ'-Co3Al相的彈性性質(zhì)、電子結(jié)構(gòu)和熱力學(xué)性質(zhì)的影響。研究結(jié)果表明:隨W濃度的增大，γ'-Co3(Al1-xWx)相的體彈性模量、楊氏模量和剪切模量均增大，而彈性各向異性的程度逐漸減小，同時(shí)該相從

4、延性材料轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈圆牧?。?-Co3(Al1-xWx)相的彈性性質(zhì)隨鎢濃度的變化關(guān)系與電荷密度分布的大小和形狀密切相關(guān)。
　　(2)基于密度泛函理論的第一性原理方法和準(zhǔn)簡(jiǎn)諧德拜模型，研究了D019、D022、 L12和hP24結(jié)構(gòu)的Co3V相的電子結(jié)構(gòu)、彈性性質(zhì)和熱力學(xué)性質(zhì)。研究結(jié)果表明:在0～1300 K范圍內(nèi)，L12結(jié)構(gòu)的γ'-Co3V相是亞穩(wěn)定的，而hP24結(jié)構(gòu)的Co3V相是穩(wěn)定的。不同結(jié)構(gòu)的Co3V相的穩(wěn)定性與其電子軌道在

5、費(fèi)米能級(jí)附近的雜化作用密切相關(guān)。D019、D022、 L12和hP24結(jié)構(gòu)的Co3V相均是機(jī)械穩(wěn)定的。L12和hP24結(jié)構(gòu)的Co3V相均為本征脆性材料，而D019和D022結(jié)構(gòu)的Co3V相均為本征延性材料。
　　(3)基于密度泛函理論的第一性原理方法，研究了21種過(guò)渡族金屬元素(Sc，Ti, Cr, Mn, Fe, Ni,Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Hf, Ta, W, Re, Os,Ir, Pt