TiAl基金屬間化合物Co-,2-TiAl的第一性原理研究.pdf

1、TiAl基合金具有許多優(yōu)點(diǎn)，例如具有較低的密度、較高的熔點(diǎn)以及較大的屈服應(yīng)力等等。但是，在一些情況下它們也具有一些缺點(diǎn)，比如具有較低的抗損傷能力、較低的室溫塑性、斷裂韌性和高裂紋擴(kuò)展速率增加失效的可能性等。這些缺點(diǎn)阻礙了TiAl基合金在一些重要領(lǐng)域的應(yīng)用。因此，研究TiAl基合金的結(jié)構(gòu)和性能一直是一個(gè)很活躍的研究領(lǐng)域。大量的實(shí)驗(yàn)和第一性原理計(jì)算結(jié)果表明，TiAl基合金的性質(zhì)強(qiáng)烈地依賴于晶體結(jié)構(gòu)和組成元素的構(gòu)型，尤其是微觀的電子結(jié)構(gòu)對(duì)其性

2、能起到非常重要的作用。然而，對(duì)于一些很重要的TiAl基晶體，在控制金屬間化合物的強(qiáng)度、延展性、斷裂以及熱缺陷等微觀機(jī)理等等方面，人們知道的還比較少。 Co<,2>TiAl合金屬于Hume-Rothery(H-R)晶體，具有L2<,1>的晶體結(jié)構(gòu)。其化學(xué)配比公式可以寫成X<,2>YZ的形式。其中，X和Y是過(guò)渡元素，Z是具有sp電子的非磁性元素。長(zhǎng)期以來(lái)，具有L2<,1>結(jié)構(gòu)的晶體一直被認(rèn)為是三元合金中一種重要的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)可

3、以看成是由八個(gè)B2體心立方原胞堆砌而成的立方密排晶胞。最近以來(lái)，很多科研工作者把注意力放在了Co<,2>TiAl合金中具有磁性的Co原子上，很少關(guān)心其中非磁性Al原子的作用、Co<,2>TiAl合金的熱力學(xué)性質(zhì)、物態(tài)方程、化學(xué)鍵以及摻雜元素對(duì)Co<,2>TiAl合金電子結(jié)構(gòu)的影響。在本論文中將著重研究這些問(wèn)題。 首先，基于密度泛函---廣義梯度近似(GGA)和全勢(shì)能線性綴加平面波理論(FLAPW)，對(duì)X<,2>TiAl(x=Fe

4、，Cu，Co，Ni)晶體的電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，給出了過(guò)渡元素X和Al3p電子對(duì)X<,2>TiAl(X=Fe，Cu，Co，Ni)晶體的電子結(jié)構(gòu)的影響。計(jì)算結(jié)果表明，對(duì)于X<,2>TiAl(X=Fe，Cu，Co，Ni)晶體，總的態(tài)密度不僅取決于元素的電負(fù)性的大小，而且也取決于過(guò)渡元素在晶格中的占位。 過(guò)渡金屬元素的d電子態(tài)不僅與表征晶體穩(wěn)定性的贗隙有關(guān)，而且還與晶體中其它元素的價(jià)電子進(jìn)行強(qiáng)烈地雜化。雖然Al3p的態(tài)密度占所研究晶體的

5、總的態(tài)密度的成分較小，但是，Al3p的態(tài)密度分布范圍較過(guò)渡元素的3d態(tài)密度分布范圍廣，且變化也較過(guò)渡元素的3 d態(tài)敏感，對(duì)所研究的X<,2>TiAl(X=Fe，Cu，Co，Ni)晶體來(lái)說(shuō)，總的態(tài)密度由Al3p態(tài)調(diào)節(jié)。其次，在沒(méi)有相變的前提下，基于準(zhǔn)諧德拜模型和第一性平面波贗勢(shì)密度泛函理論對(duì)Co<,2>TiAl晶體的熱力學(xué)性質(zhì)和物態(tài)方程進(jìn)行了研究。給出了晶格常數(shù)a、體彈模量B<,0>和體彈模量對(duì)壓強(qiáng)的一階導(dǎo)數(shù)B<,0>。計(jì)算了德拜溫度Θ、

6、晶格體積V和定容熱容G<,v>的相對(duì)比以及體彈模量B、定容熱容C<,v>、定壓熱容C<,p>和兩者的差C<,p>-C<,v>隨不同溫度和壓強(qiáng)的變化。計(jì)算結(jié)果表明，在低溫情況下，定容熱容C<,v>隨溫度的立方(T<'3>)變化，當(dāng)溫度高于800K時(shí)，隨著溫度的增加，定容熱容C<,v>逼近杜隆一珀替極限。在給定溫度下，體彈模量B隨著壓強(qiáng)的增加呈線性地增加，而在給定壓強(qiáng)下，體彈模量B隨著溫度的增加呈線性地減少。在準(zhǔn)確到二階近似的基礎(chǔ)上，給出了

7、體彈模量B、德拜溫度Θ隨溫度T變化的關(guān)系。計(jì)算結(jié)果還表明熱膨脹系數(shù)α在低溫情況下隨T<'3>增加，在高于600K時(shí)，隨著溫度的增加，熱膨脹系數(shù)α幾乎呈線性增加。還給出了Co<,2>TiAl晶體的Gruneisen參數(shù)γ隨溫度和壓強(qiáng)發(fā)生變化的關(guān)系：在高壓時(shí)，Gruneisen參數(shù)γ幾乎不隨溫度發(fā)生變化；在壓強(qiáng)低于30GPa時(shí)，GruneiSen參數(shù)γ隨溫度的增大而增大，并且隨壓強(qiáng)的減小Gruneisen參數(shù)γ呈非線性增大，在此壓強(qiáng)下，壓強(qiáng)

8、對(duì)Gruneisen參數(shù)γ的影響比溫度大。計(jì)算得到的Co<,2>TiAl晶體的柏松比σ=0.246，比較接近0.25，表明原子間的相互作用力主要是中心力場(chǎng)。Co<,2>TiAl晶體不僅具有較大的剪切模量G,而且也具有較大的體彈模量B,表明其具有很強(qiáng)的抵抗塑性形變和斷裂的能力。另外，還研究了Co<,2>TiAl晶體的電子結(jié)構(gòu)對(duì)晶體的脆性和各向異性的影響。從G/B=0.6116的比值，得到了Co<,2>TiAl晶體屬脆性合金。計(jì)算得到的[1

9、00]、[010]和[001]平面上的剪切各向異性因子A=1.769，說(shuō)明分別在<011>與<010>方向之間、<101>與<001>方向之間以及<110>與<010>方向之間，彈性是各向異性的。 最后，采用廣義梯度近似(GGA)和全勢(shì)能線性綴加平面波理論(FLAPW)，研究了摻雜元素X(X=C，Si和Zr)對(duì)Co<,2>TiAl晶體的晶格常數(shù)a、體彈模量B,鍵能和電荷密度的影響。摻雜元素X(X=C，Si和Zr)分別位于元素周期

10、表中第二、第三、第五周期，元素C和Si通常被認(rèn)為是使金屬晶體硬化的溶劑，而元素zr通常被認(rèn)為是使金屬晶體軟化的溶劑。計(jì)算結(jié)果表明摻雜元素C、Si和Zr分別使晶體的晶格縮小1．794％，0．478％和0．137％。另外，摻雜元素X(X=C，Si和Zr)在對(duì)晶體的體彈模量的影響方面卻表現(xiàn)不同。它們給出了兩種截然不同的結(jié)果，計(jì)算結(jié)果表明摻雜元素Si和C分別使晶體的體彈模量增加1．1％和1．3％，相反，摻雜元素Zr使晶體的體彈模量減小0．56％

11、。從化學(xué)鍵的角度研究了其中的化學(xué)鍵在金屬間化合物Co<,2>TiAl、Co<,2>AlTi<,0.75>Zr<,0.25>、Co<,2>AlTi<,0.75>Si<,0.25>和Co<,2>AlTi<,0.75>C<,0.25>中的大小。在化學(xué)鍵Al-Co，Al-Ti，Co-Ti，Al-X和Co-X(X=C，Si and Zr))中，化學(xué)鍵Co-C的強(qiáng)度最大， Co-Si次之，Co-Zr最小。為了更好地理解這些性質(zhì)，給出了所研究晶體Co

12、<,2>TiAl、Co<,2>AITi<,0.75>Zr<,0.25>、Co<,2>AlTi<,0.75>Si<,0.25>箱和Co<,2>AlTi<,0.75>C<,0.25>在相應(yīng)[110]平面上的電荷密度圖。結(jié)果顯示Co<,2>TiAl和Co<,2>AlTi<,0.75>Zr<,0.25>晶體主要以金屬鍵為主，從而具有比Co<,2>AlTi<,0.75>Si<,0.25>和Co<,2>AlTi<,0.75>C<,0.25>晶體小的