基于第一性原理研究合金化對Nb-Si系金屬間化合物性能的影響.pdf

1、Nb-Si系金屬間化合物材料是一種新型的高溫結(jié)構(gòu)材料的有非常好的發(fā)展前景，具有高熔點，高強度，低密度等優(yōu)點，但由于其較大的室溫脆性及其導(dǎo)致的較差的加工性能制約了其服役壽命和應(yīng)用領(lǐng)域。本文通過第一性原理，計算了三種結(jié)構(gòu)的Nb5Si3金屬間化合物的晶體結(jié)構(gòu)、熱力學(xué)和機械穩(wěn)定性、力學(xué)性質(zhì)和電子結(jié)構(gòu)等，并獲得了Nb5Si3的最穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)；在此基礎(chǔ)上，研究了合金元素 M（M=Ti、Cr、Al、Hf、Ga、B、C和 Y等）摻雜對α-Nb5Si3

2、的晶體結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性和力學(xué)性質(zhì)的影響，希望通過研究解決Nb5Si3的室溫脆性。
　　通過研究發(fā)現(xiàn)：三種不同結(jié)構(gòu)的Nb5Si3形成能均為負值，均為熱力學(xué)穩(wěn)定的，其中α-Nb5Si3最穩(wěn)定。α-Nb5Si3、β-Nb5Si3和γ-Nb5Si3的體積模量分別為：192.3 GPa、188.6 GPa和185.9 GPa；剪切模量分別為130.9 GPa、111.4 GPa和24.4 GPa。其中，α-Nb5Si3具有最高的體積模量和剪切模

3、量?；?Pugh的經(jīng)驗判據(jù)，B/G值越大，材料韌性越好；反之，材料的脆性越大；α-Nb5Si3和β-Nb5Si3的B/G均小于1.75，為脆性，且α-Nb5Si3的脆性大于β-Nb5Si3。一般來說，費米能級的位置和費米能級處的態(tài)密度決定金屬間化合物穩(wěn)定性,α-Nb5Si3、β-Nb5Si3和γ-Nb5Si3在費米面態(tài)密度值依次為14.84 eV、18.89 eV和23.64 eV。α-Nb5Si3結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定，γ-Nb5Si3結(jié)構(gòu)最不

4、穩(wěn)定，這與形成能的計算結(jié)果一致。α-Nb5Si3、β-Nb5Si3和γ-Nb5Si3費米能級附近態(tài)密度主要是來自于Nb的4d電子及Si的3p電子的貢獻。
　　根據(jù)合金化α-Nb5Si3形成能的計算結(jié)果可知：合金元素Ti和Cr擇優(yōu)取代α-Nb5Si3中4c位置的Nb原子，Hf和稀土元素Y擇優(yōu)取代16l位置的Nb原子，Al和Ga則優(yōu)先取代4a位置的Si原子，B和C取代8h位置的Si原子。Ti、Hf、B合金元素的添加提高了α-Nb5Si