cr、V在Ti-Al系合金中合金化效應(yīng)及擴(kuò)散理論研究.pdf

1、Ti-Al系合金具有低密度，良好的高溫強(qiáng)度、抗蠕變和抗氧化能力，其密度只是Ni基高溫合金的一半，因而常用作Ni基高溫合金低溫段的候選材料，是航天、航空飛行器理想的新型高溫結(jié)構(gòu)材料。但由于其硬度低，耐磨性較差，在用作滑動(dòng)部件(如活塞鎖，連桿軸及導(dǎo)桿等)時(shí)，容易與對(duì)磨材料粘著產(chǎn)生磨損，限制了其應(yīng)用范圍。很多學(xué)者在實(shí)驗(yàn)上對(duì)如何改善Ti-Al系合金的硬度和耐磨性都進(jìn)行了研究，并取得了一定的成功，如Cr的合金化作用對(duì)硬度、耐磨性等的改善起到了主要

2、作用等。但其微觀強(qiáng)化機(jī)理和微觀擴(kuò)散原理目前尚不清楚，因此如何從原子層次上對(duì)其進(jìn)行模擬并加以解釋顯的尤為重要。
　　 本文采用第一性原理對(duì)含Cr、C的Ti-Al系合金進(jìn)行了研究。首先，基于第一性原理研究了合金元素Cr、V對(duì)Ti-Al系合金電子結(jié)構(gòu)的影響，計(jì)算了含Cr、V的Ti-Al系合金的總能量、形成能、給合能和力學(xué)性能，從理論上解釋了在Ti-Al系合金中固溶合金元素Cr后其性能得到改善的原因，并通過(guò)電荷密度和態(tài)密度的分布探討Cr

3、、V對(duì)Ti-Al系合金的微觀作用機(jī)理。研究結(jié)果表明：合金元素Cr、V在Ti4Al4和Ti4Al12中固溶時(shí)都占據(jù)了Ti原子的位置，Cr固溶于Ti4Al4和Ti4Al12后的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性隨著Cr含量的增加而增加；V固溶于Ti4Al4和Ti4Al12后的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性隨V含量的增加而減小，而實(shí)際實(shí)驗(yàn)中固溶的V是微量的，因此微量V的溶入對(duì)復(fù)合化合物的穩(wěn)定性影響不明顯；微量的合金元素Cr、V就能較大幅度地提高Ti-Al系合金的力學(xué)性能(包括楊氏模量E

4、、切變模量G和體模量B)，而材料的強(qiáng)度與切變模量G和楊氏模量E密切相關(guān)，G和E的值越大，材料的強(qiáng)度越高，耐磨性能越好。
　　 其次，本文還對(duì)措建的Ti-Al系合金(100)面進(jìn)行晶體結(jié)構(gòu)優(yōu)化，系統(tǒng)地研究Cr、V在Ti—Al系臺(tái)金(100)面中的擴(kuò)散情況，并從電子結(jié)構(gòu)角度分析了Cr、V在Ti—Al系合金中的強(qiáng)化機(jī)理，從理論上解釋了表面Cr、V合金化后Ti-Al系合金性能得到改善的原因。當(dāng)單個(gè)Cr或V原子向Ti5Al5和Ti5Al1

5、5中擴(kuò)散的時(shí)候，其優(yōu)先占據(jù)第二層Ti原子的位置，且占據(jù)第二層Ti原子時(shí)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性晟好；當(dāng)兩個(gè)Cr或V原子向Ti5Al5和Ti5Al15中擴(kuò)散的時(shí)候，它們優(yōu)先同時(shí)占據(jù)第二層和第三層Ti原子的位置，且同時(shí)占據(jù)第二層和第三層Ti原子時(shí)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性最好。并通過(guò)分析得出：在Ti-Al系合金中添加合金元素Cr后，使Cr3d軌道上的電子、Al3p軌道上的電子和Ti3d軌道上的電子相互雜化，結(jié)合能力變強(qiáng)；添加合金元素V后，使V3d軌道上的電子、Ti3