Ti-Al系金属间化合物的氧化机理的价电子结构研究

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钛铝基金属间化合物因具有低密度、高韧性、高强度、良好的蠕变抗性及耐腐蚀性等,而发展成为一种应用前景广阔的新型高温合金材料。然而,钛铝基金属间化合物的氧化行为仍是制约该合金发展的枷锁。因此,本文研究钛铝基合金氧化机理具有重要的理论意义。本论文利用固体与分子经验电子理论(EET),计算了钛铝基金属间化合物中基本相及相界面的价电子结构,建立合金电子结构参数与钛铝基金属间化合物的氧化机制的关系,构建钛铝合金的氧化机理的理论分析模型。研究结果如下:(1)基于EET理论,计算了Ti-Al基金属间化合物中基本相(γ-TiAl、Ti3Al、TiO2、Al2O3)的价电子结构。结果表明:晶体内的最强键的键能值较大且在晶体内分布均匀,表现出了良好的热稳定性及高熔点。(2)基于EET理论,计算了含有氧原子的γ-TiAl的价电子结构参数,建立合金电子结构参数与γ-TiAl合金氧化机制的关系。当含氧晶胞在晶体内不均匀分布时,会导致晶体内部各向异性增强,原子键络发生断裂并发生Ti原子塌陷,形成了Ti的体心结构,而氧原子则会进入体心结构的八面体间隙,形成TiO2氧化膜。在Ti原子大量塌陷后能够留下较多的空位,这些空位会被扩散在周围的Al原子占据,形成充满间隙的Al六方晶体结构,而氧原子则进入到六方结构中的间隙位置,形成稳定结构的Al2O3氧化膜。(3)基于EET理论,计算了含氧原子的Ti3Al的价电子结构参数,建立合金电子结构参数与Ti3Al氧化机制的的关系。当大量氧原子进入到晶体结构中时,晶体结构的不稳定将导致键络断裂,Ti原子摆脱束缚并发生塌陷,形成了Ti的体心结构,周围的氧原子则占据体心结构内部的间隙位置,形成了TiO2氧化膜。而晶胞内的Al原子则占据Ti原子塌陷留下的空位位置,形成一个充满间隙位置的Al六方晶胞,随后周围的氧原子进入间隙位置形成了Al2O3氧化膜。(4)基于EET理论,计算了Ti-Al金属间化合物中相界面TiAl//TiO2、TiAl//Al2O3、Ti3Al//TiO2、Ti3Al//Al2O3的价电子结构,探讨了合金结构参数与钛铝系金属间化合物界面结合稳定性的关系。计算结果表明,γ-TiAl(100)//TiO2(100)的界面共价键能差较小,表现出较好界面结合;Ti3Al(0001)//TiO2(100)界面共价键能差也较小,该界面结合也比较好。而Ti3Al(0001)//Al2O3(0001)的界面共价键能差较大,表面氧化膜与基体的结合较差。
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