Cu-Cr-Zr-RE系合金化合物的第一性原理研究

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Cu-Cr-Zr系合金因其高强高导性能而被广泛应用于电子、电力、航空、航天、电机制造、焊接工具等领域。该系合金属于析出强化型合金,通过固溶时效处理可以析出弥散分布于合金中的析出相,其析出相对合金综合性能有较大的影响,但由于测试手段、合金元素含量较少等限制,合金中析出的金属间化合物的成分结构等仍存在分歧,且缺乏相关的性质研究。另外,由于稀土元素(Rare Earth,RE)具有净化基体、改善组织的作用,不少研究者将其应用于Cu-Cr-Zr系合金中,但关于RE添加后在合金中可能析出的稀土化合物的研究还较少。为此,本文采用基于第一性原理计算方法的Material Studio中的CASTEP模块对Cu-Cr-Zr-RE(RE=La、Y)系合金中的Cu-Zr、Cu-La、Cu-Y三个体系的金属间化合物进行热力学性质(生成焓、结合能、德拜温度)、电子结构(态密度、能带结构)和力学性质(体模量、剪切模量、杨氏模量、泊松比、理论硬度)计算分析,为Cu-Cr-Zr系合金的进一步发展提供理论数据参考。主要研究结果如下:1、Cu-Zr系7种化合物(Cu5Zr、Cu51Zr14、Cu8Zr3、Cu2Zr、Cu10Zr7、Cu Zr、Cu Zr2)均为热力学稳定相,其中,Cu8Zr3和Cu10Zr7的生成焓较低,分别为-16.57k J·mol-1和-16.38k J·mol-1,较容易形成;Cu Zr2的结合能最低,为-614.94k J·mol-1,较稳定;Cu5Zr的德拜温度最高,为380K,共价键的强度相对较高。态密度计算结果表明7种化合物的结合键均由金属键和共价键组成,其中,Cu Zr2成键电子中Cu的3d轨道电子和Zr的4d轨道电子杂化程度最大,Cu10Zr7的赝能隙最宽,进一步证明了其稳定性。能带结构表明Cu5Zr、Cu51Zr14、Cu8Zr3、Cu10Zr7、Cu Zr和Cu Zr2为导体,而Cu2Zr可能呈现半导体性质,其带隙为0.024e V。除Cu51Zr14外,其余6种化合物均为力学稳定相,其中,Cu8Zr3抵抗外力产生变形的能力较强,体模量为130GPa;Cu5Zr硬度较高、延性较差;Cu Zr的硬度较低,延性较好。2、Cu-La系6种化合物(αCu6La、βCu6La、Cu5La、Cu4La、Cu2La和Cu La)均为热力学稳定相,其中,Cu La的生成焓为-11.58k J·mol-1,结合能为-424.95k J·mol-1,态密度中Cu的3d、4s轨道和La的5d轨道电子杂化程度大,赝能隙最宽,稳定性相对较好。6种化合物的结合键均由金属键和共价键组成,均表现出导体的性质,且均为力学稳定相,其中,αCu6La抵抗外力产生变形的能力较强,其体模量为96GPa,延性较好;Cu5La的硬度较高,延性较差;Cu La的硬度较低。3、Cu-Y系3种化合物(Cu5Y、Cu2Y和Cu Y)均为热力学稳定相,其中,Cu2Y的生成焓(-20.38k J·mol-1)最低,态密度中赝能隙较大,稳定性较好;Cu Y的结合能(427.28k J·mol-1)最低,德拜温度(325K)最高,态密度中Cu的3d轨道和Y的4d、4p、5s轨道电子杂化程度较大,稳定性也较好。3种化合物的结合键均由金属键和共价键组成,均表现出导体的性质,且均为力学稳定相,其中,Cu5Y抵抗外界压力产生变形的能力较强,硬度较高;Cu2Y的硬度相对较低,延性相对较大。4、对Cu-Zr、Cu-La、Cu-Y三个体系金属间化合物进行综合比较发现,Cu-Zr系金属间化合物结构稳定性较好,共价键的强度较高,抵抗外力的能力较强,平均价键的强度较大,硬度较高,更容易存在于Cu-Cr-Zr-RE(RE=La、Y)系合金中。
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