合金元素改善γ-TiAl室溫塑性機理的第一性原理計算.pdf

1、γ-TiAl金屬間化合物具有高的抗氧化性、高的熔點、低的密度等優(yōu)點,已經(jīng)成為航空、航天及汽車領(lǐng)域極具競爭力的高溫合金。但是γ-TiAl的室溫脆性極大地限制了它的應(yīng)用。實驗結(jié)果表明,合金化是提高其室溫塑性的有效手段,但其微觀機理人們目前并不清楚。近年來,隨著計算機技術(shù)和計算材料科學(xué)的發(fā)展,基于密度泛函理論的第一性原理方法被廣泛應(yīng)用于探索材料學(xué)的微觀機理。
　　 本文用基于密度泛函理論(DFT)的第一性原理方法計算了合金化前后γ-T

2、iAl的態(tài)密度、重疊布居數(shù)、彈性常數(shù)和差分電荷密度。計算結(jié)果表明,在γ-TiAl合金中,p-d極化鍵的強度、方向性及其所引起的金屬鍵的減少是導(dǎo)致γ-TiAl本征脆性的原因。
　　 在γ-TiAl中,合金元素Sc、V、Cr、Y、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、W占據(jù)Ti位;Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ag、Si占據(jù)Al位;雜質(zhì)元素傾向于占據(jù)富Ti八面體位置1。Cr、Mn、V的加入能有效地減少Ti原子和Al原子之間的p-d極化

3、鍵作用,使鍵的分布更加均勻化,從而能夠改善γ-TiAl的室溫塑性,這一結(jié)果與實驗一致。
　　 取代Al位的合金元素減弱了p-d極化鍵和Al-Al鍵的強度,并且其與周圍Ti原子之間形成金屬鍵,從而使γ-TiAl中的鍵絡(luò)分布趨于均勻化。取代Ti原子位置的合金元素影響p-d極化鍵的能力比較弱,不能削弱Al-Al鍵的強度。另外,合金化原子與Al原子之間形成的p-d極化鍵減弱了其與Ti原子之間的形成的金屬鍵的強度。因此,總體上,取代Ti原

4、子位置的合金元素對γ-TiAl的室溫塑性的改善作用并不明顯。Si能夠減弱p-d極化鍵作用,改善晶體價鍵分布的均勻性,增加金屬鍵的成分,這些都對改善合金的塑性有利。
　　 H的摻雜減弱了p-d極化鍵,但也減弱了d-d金屬鍵,并且形成強的H-Al鍵,使得γ-TiAl的塑性惡化。O的摻雜增加了p-d極化鍵的作用,另外受O-Al鍵的影響,增加了γ-TiAl的脆性。B、C、N原子的摻雜能夠改善γ-TiAl的鍵絡(luò)分布的均勻性,減弱了p-d極