论文部分内容阅读
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、V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,本文还对搭建的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系合金(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最好；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。