合金元素、點(diǎn)缺陷對鎳基及鎂基金屬間化合物性能影響的第一性原理研究.pdf

1、Ni3Al和NiAl合金因不能同時(shí)擁有良好室溫塑性和高溫強(qiáng)度，限制了其高端應(yīng)用；鎂合金也由于存在熱力學(xué)不穩(wěn)定相Mg17Al12，當(dāng)環(huán)境溫度在150℃以上時(shí)，其強(qiáng)度和抗蠕變性能急劇下降；合金化是改善金屬間化合物力學(xué)性能的有效途徑，研究合金元素、點(diǎn)缺陷對鎳基及鎂基金屬間化合物性能的影響具有重要意義。
　　本文采用第一性原理方法，通過計(jì)算合金化后金屬間化合物晶胞的晶格常數(shù)，形成熱和結(jié)合能，力學(xué)性質(zhì)，熱力學(xué)性能，點(diǎn)缺陷的形成能和平衡濃度，

2、態(tài)密度和電荷密度等，對V、Nb在Ni3Al中的取代行為及合金化效應(yīng)，Ni3X(X:Al，Mo，Ti，Pt，Si，Nb，V和Zr)金屬間化合物的結(jié)構(gòu)、力學(xué)和熱力學(xué)性質(zhì)，點(diǎn)缺陷對B2-NiAl性能影響，Y合金化Mg17Al12相及Al2Y相穩(wěn)定性、力學(xué)性質(zhì)及電子結(jié)構(gòu)，及Zr合金化Mg2Ni氫化物能量與電子結(jié)構(gòu)等進(jìn)行了研究。
　　通過計(jì)算V摻雜Ni3Al點(diǎn)缺陷結(jié)構(gòu)及合金化效應(yīng)，分析空位和反位的形成熱，再考慮不同反位之間的形成熱，并比較其

3、形成熱大小來分析占位的規(guī)律，以及研究Ni3Al的電子結(jié)構(gòu)，分析成鍵的能力，點(diǎn)缺陷的形成能和平衡濃度，研究發(fā)現(xiàn)：Ni3Al合金中反位缺陷較空位缺陷易形成，NiAl是Ni3Al合金中最主要的反位缺陷，Al位最易形成缺陷，在1400K時(shí)，空位缺陷的濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于反位缺陷的濃度；V能提高Ni3Al合金體系的穩(wěn)定性。
　　通過計(jì)算Nb在Ni3Al中的取代行為及合金化效應(yīng)，分析Nb占據(jù)Ni格點(diǎn)和Al格點(diǎn)形成超晶胞的總能量，形成熱，結(jié)合能，態(tài)密度

4、和電荷密度，對比得到合適的取代行為及固溶度，并討論了格點(diǎn)排布方式（松散分布和緊湊分布）對體系能量的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：Nb原子傾向于取代Ni3Al中的Al原子，Nb原子占據(jù)的格點(diǎn)更傾向于緊湊分布，Nb原子能提高Ni3Al的穩(wěn)定性，Nb在Ni3Al中的極限固溶度介于6.25at％~12.5at%之間。
　　計(jì)算了Ni3X(X:Al，Mo，Ti，Pt，Si，Nb，V和Zr)金屬間化合物的結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能、形成熱和電子結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明：本文研究

5、的Ni3X金屬間化合物都具有力學(xué)穩(wěn)定性；力學(xué)性質(zhì)分析發(fā)現(xiàn)Ni3X金屬間化合物的剛度按Ni3Al，Ni3Zr，Ni3Nb，Ni3Pt，Ni3Mo，Ni3Ti，Ni3V和Ni3Si的順序依次增強(qiáng)，塑性按Ni3Ti，Ni3Si，Ni3V，Ni3Zr，Ni3Al，Ni3Mo，Ni3Nb和Ni3Pt的順序依次增強(qiáng)，Ni3Al，Ni3Mo，Ni3Pt，Ni3Si，Ni3Nb，Ni3V和Ni3Zr是延性相，而Ni3Ti是脆性相；形成熱分析發(fā)現(xiàn)Ni3X

6、金屬間化合物的形成熱均為負(fù)值，都是熱力學(xué)穩(wěn)定相；電子結(jié)構(gòu)分析可知Ni3X金屬間化合物都是磁性化合物，Ni3Si的結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定源于較強(qiáng)的離子鍵、共價(jià)鍵和金屬鍵共同作用的結(jié)果。
　　研究點(diǎn)缺陷對B2-NiAl性能影響，計(jì)算了B2-NiAl點(diǎn)缺陷結(jié)構(gòu)的形成熱，形成能，點(diǎn)缺陷平衡濃度，力學(xué)性質(zhì)和電子結(jié)構(gòu)等。結(jié)果表明：B2-NiAl合金擁有較好的塑性和較差的成鍵強(qiáng)度；形成熱，形成能和點(diǎn)缺陷平衡濃度的計(jì)算表明 Ni空位和Ni反位是B2-NiAl

7、合金中主要的點(diǎn)缺陷結(jié)構(gòu)；通過G/B0和Cauchy壓力(C12–C44)判據(jù)可知Ni空位、Ni反位和Al反位均能降低B2-NiAl合金的塑性，Ni空位是B2-NiAl合金中主要的點(diǎn)缺陷導(dǎo)致B2-NiAl合金的塑性變差，Al空位能提升B2-NiAl合金的塑性，但Al空位的含量低作用很??；態(tài)密度計(jì)算表明B2-NiAl合金是導(dǎo)體，除Ni反位缺陷以外其它點(diǎn)缺陷都能提升B2-NiAl合金的穩(wěn)定性。
　　計(jì)算了Y合金化Mg17Al12相及Al

8、2Y相的晶格常數(shù)、結(jié)合能、彈性常數(shù)、熱力學(xué)性質(zhì)和電子態(tài)密度，分析了Y對Mg17Al12相的晶格常數(shù)及其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，研究了Mg17Al12相、Al2Y相和Y合金化Mg17Al12固溶相的熱力學(xué)性質(zhì)，力學(xué)性質(zhì)和電子結(jié)構(gòu)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：Y合金化后固溶相結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性增強(qiáng)，(Mg5Y12)Al12的穩(wěn)定性最高，且形成的第二相Al2Y比相應(yīng)Y合金化固溶相結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，原因主要是體系存在較強(qiáng)Al-Y離子鍵和Al-Al共價(jià)鍵的共同作用；(Mg5Y12)

9、Al12的金屬鍵最強(qiáng)，Mg17Al12其次，Al2Y最差；Mg17Al12和Al2Y為脆性相，而(Mg5Y12) Al12為延性相，且Al2Y的塑性最差；合金體系中形成了熱穩(wěn)定性高的Y合金化固溶相及第二相Al2Y，這些相的熱穩(wěn)定性并不因溫度的升高而消失，其熱穩(wěn)定性均比Mg17Al12相高，因此Y的合金化提高了AZ91鎂合金抗蠕變性能。
　　計(jì)算了Zr合金化Mg2Ni氫化物能量與電子結(jié)構(gòu)，確定了Zr合金化Mg2Ni相的最穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，再

10、對其氫化物的晶體模型合金化前后的能量進(jìn)行計(jì)算與分析，計(jì)算了體系的態(tài)密度，Mulliken電子占據(jù)數(shù)和電荷密度，揭示了體系解氫性能改善的電子機(jī)制。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：Zr合金化Mg2Ni后形成Mg(I)ZrNi的相結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定，Zr原子最易占據(jù)Mg(I)：(0.5，0，z)，z=l/9位置，原因是體系在費(fèi)米能級(EF)處附近的成鍵電子數(shù)最多；進(jìn)一步計(jì)算其氫化物的解氫反應(yīng)熱發(fā)現(xiàn)：Zr合金化 Mg2Ni氫化物后，體系解氫所需吸收熱量與合金化前相比明顯降低