第一性原理研究压力对TiAl合金及TinAXn-1结构、力学及热力学性质的影响

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1、中北大学学位论文中北大学学位论文图书分类号TG146.2+2密级非密注1UDC硕士学位论文第一性原理研究压力对TiAl合金及TinAXn-1结构、力学及热力学性质的影响邓世杰指导教师（姓名、职称）赵宇宏教授申请学位级别工学硕士专业名称材料科学与工程论文提交日期2018年4月29日论文答辩日期2018年5月28日学位授予日期年月日论文评阅宫衣伟副教授靳玉春教授答辩委员会主席霍文娟教授2018年5月28日注1:注明《国际十进分类法UDC》的分类中北大学学位论文中北大学学位论文第一性原理研究压力对Ti

2、Al合金及TinAXn-1结构、力学及热力学性质的影响摘要钛铝合金，因为其具有特有的钛铝合金是银白色的金属，它具有许多优良性能，广泛应用于航空、航天等领域。而TiAl合金是一种新兴的金属化合物结构材料。TiAl合金具有密度低、高的比强度和比弹性模量，高温时仍可保持足够高的强度和刚度，同时具有良好的抗蠕变及抗氧化能力等突出特点。这使其成为航天、航空及汽车用发动机耐热结构件极具竞争力的材料。其次MAX相材料具有金属与陶瓷的双重特性也备受关注。本文采用第一性原理方法，研究了TiAl合金以及MAX相材料

3、中的Ti2AlC、Ti2AlN、Ti2GaC、Ti2InC、Ti3AlC2及Ti3SiC2的相关性质，包括晶格参数、力学性质以及热力学性质，期间施加0-50GPa的压力，结果如下：TiAl中掺杂Cr，Mn，Fe和Co金属元素，优先占据体系中的Al位。随掺杂金属元素原子序数的增加和掺杂浓度的降低，体系的轴比呈上升趋势，利于增加体系的延展性。浓度对Co元素掺杂体系轴比影响较小，浓度的增加，利于Co力学性能的提升。分析Co元素掺杂后的电子结构，发现掺杂Co元素后体系费米能级处态密度明显提升，利于抑制合

4、金脆性，且随浓度的增加，抑制能力加强，改善了材料的室温塑性。随着压力的增大，Ti2AlX(X=C，N)体积比下降，压力对Ti2AlC影响较Ti2AlN大，压力可以增强材料抵抗变形能力，材料的延性得到提升，Ti2AlN抵抗变形能力强于Ti2AlC，当压力超过40GPa后，Ti2AlX材料由脆性转变为延性。体模量随温度的升高而降低，但随压力的增大而增大。定容热容CV与定压热容CP变化关系相同，高温下CV增加缓慢，且遵循Dulong-Petit极限，Ti2AlC的定容热容CV在高温下高于Ti2AlN。

5、温度与压力对线膨胀系数的影响主要发生在低温下，压力超过30GPa后，压力对线膨胀系数影响较小。中北大学学位论文随着外加压力的增加，Ti2InC压缩性比Ti2GaC好。Ti2GaC与Ti2InC抵抗变形能力与延性均随压力的增加而增加，且当压力达到40-50GPa时，Ti2GaC与Ti2InC由脆性材料转变为延性材料，延展性得到提升。德拜温度与体模量变化关系相同，随温度的上升而降低，压力其影响作用与温度相反。对于热容，压力对其影响较小，Ti2InC热容值高于Ti2GaC，等容热容受Dulong-Pe

6、titlimit限制，在高温下不再增长，而等压热容相反。随着压力的增大，Ti3AC2(A=Al,Si)体积比下降，压力对Ti3AlC2影响较Ti3SiC2大。Ti3AC2(A=Al,Si)抗变形能力随外加压力的增加而增加，当压力增大到40GPa以后，材料由脆性材料转变为延性材料，其延展性得到提升，体模量随温度的升高而降低，但随压力的增大而增大。高温下CV增加缓慢遵循Dulong-Petit极限，Ti3AlC2的定容热容CV在高温下高于Ti3SiC2。温度与压力对线膨胀系数的影响主要发生在低温下，

7、压力超过30GPa后，压力对线膨胀系数影响较小。关键词：Ti-Al合金，第一性原理，力学性质，热力学性质，电子性质中北大学学位论文Thestructure,mechanicalandthermodynamicpropertiesofTi-AlAlloysandTinACn-1basedonFirst-PrinciplestudyAbstractTitaniumaluminumalloyhasmanyexcellentpropertiessoitiswidelyusedinaviation,aer

8、ospaceandotherfields.TiAlalloyisanewkindofmetalcompoundstructurematerial,γ-TiAlalloyhasgoodpropertiessuchaslowdensity,highspecificstrength,specificelasticmodulus,goodcreepresistanceandoxidationresistance,whichcanstillmaintainhighenoughstrengthandstif