Mn掺杂浓度对γ-TiAl合金延性影响理论研究

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1、第35卷第1期2017年2月JoURNALoF中国民航大学学报CⅣⅡ．AVIATIONUNⅣERSITYoFCHINAV01．35No．1Februarv2017Mn掺杂浓度对Y—TiAI合金延性影响理论研究宋庆功8，蒋清杰“，顾威风8，胡雪兰6(中国民航大学a．理学院；b．中欧航空工程师学院，天津300300)摘要：采用基于密度泛函理论的第一性原理方法，利用MaterialsStudio6．0中的CASTEP模块对不同浓度的过渡金属元素Mn替位掺杂1-TiAl得到的8个合金体系的原子平均形成能、晶格参量及轴比、弹性模量和重叠布居数等进行了计算分析。原子平均形成能的计算结果表明，各掺杂体

2、系的形成能均为负值，表明其均可稳定存在．同时Mn原子占据Al原子位置得到的掺杂体系原子平均形成能更低，说明Mn原子倾向于替代Al原子；对晶胞轴比和弹性模量的计算分析表明，Mn掺杂能够提高合金的延性，以Ti。2Al。。Mn体系效果最为明显：重叠布居数的计算结果表明，Mn原子的掺入减弱了体系内共价键的各向异性程度，从化学键的角度解释了掺杂体系延性得到改善的机理。关键词：掺杂y-TiM合金；延性；形成能；轴比；弹性模量；重叠布居数中图分类号：TGl46．2文献标志码：A文章编号：1674—5590(2017)01—0060—05Effectsofimpurityconcentrationond

3、uctilityofMn-doped7-TiAIalloysSONGQinggon98,JIANGQingfieb，GUWelyengaHUXuelan6(a．CollegeofScience；b．Sino-EuropeanInstituteofAviationEngineering,CAUC,Tianjiin300300,China)Abstract：Usingthefirst—principlemethodbasedondensityfunctionaltheory，Mn—doped1—_TiAlalloysystems，ofwhichtheconcentrationsofMnsub

4、stitutingTiorA1are1／54，1／36，1／24and1／16respectively，havebeeninvestigatedwithCASTEPaimesatimprovingitsductility．Meanwhile，thestructure，energy，plasticandelectronicpropertiesarecalculatedandanalyzed．Theaverageatomformationenergyofallthedopedsystemsisnegative．indicatingtheenergystabilityofeachsystem．

5、TheMn—substituting-A1systemshavegotalowerformationenergy，whichshowsthattheMntendstosubstituteA1．ResultsofboththeaxialratioandelasticmodulusshowthatdopingwithMncanimprovetheductilityofy-TiMalloysbysubstitutingA1，withTil2A1llMnshowingthebestductility．ComparisonoftheoverlappopulationofTil2A1lIMnandp

6、ure7-TiAlindicatesdopingwithMncanweakentheanisotropyofthecovalentbondsin1一TiAlsystems，whichcontributespartlytotheductilityimprovementofy-TiAlalloys．Keywords：doped叫一TiAlalloy；ductility；formationenergy；axialratio；elasticmodulus；overlappopulationTiAl基合金是新兴的一种金属间化合物高温结构材料，因具有高强度、低密度、高温抗蠕变以及抗氧化性质而备受青睐

7、。随着航空业的发展，1一TiAl基合金的应用受到高度重视11。3I，但1一TiAl合金室温塑性差的缺点成为其在材料加工及应用中的瓶颈之一。因此，国内外的许多研究人员致力于^y—TiAI基合金的研究，以提升材料的室温塑性，并且发现合金化和微合金化是有效方法之一；采用非实验方法对材料结构和性能进行预测能够有效降低实验成本、缩短研发周期，效益显著。例如，王海燕等141采用第一性原理的方法对不同浓度的Mo元素掺杂1一TiAl合金的力学性能进