Ti2AlNb合金氧化行为的第一性原理研究.pdf

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1、硕士学位论文Ti2AlNb合金氧化行为的第一性原理研究FIRST-PRINCIPLESINVESTIGATIONONONTHEOXIDATIONBEHAVIOROFTi2AlNbALLOY李悦哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：TB303学校代码：10213国际图书分类号：539密级：公开工程硕士学位论文Ti2AlNb合金氧化行为的第一性原理研究硕士研究生：李悦导师：宋岩教授申请学位：工程硕士学科：材料工程所在单位：材料科学与工程学院答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TB303U.D.C:539D

2、issertationfortheMasterDegreeinEngineeringFIRST-PRINCIPLESINVESTIGATIONONONTHEOXIDATIONBEHAVIOROFTi2AlNbALLOYCandidate：LIYueSupervisor：Prof.SONGYanAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：MaterialEngineeringSchoolofMaterialsScienceandAffiliation：EngineeringDateofDef

3、ence：June,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工程硕士学位论文摘要Ti2AlNb基合金是一种新型的高温轻质结构材料，有望取代Ni基合金等传统高温材料用于航空发动机零部件的生产制造，其比强度高、高温断裂韧性好、抗蠕变性强，具备优异的力学性能。然而严重的高温氧化问题极大地限制了其实际应用。本文使用第一性原理计算方法，研究了Ti2AlNb基合金中O相表面及O相/B2相界面的氧化机理。第一部分研究了O相表面的氧化性质。首先计算了O相低指数表面的稳定性及氧

4、原子在O相表面的吸附性质。结果显示氧原子倾向于同过渡金属元素键合。吸附过程中氧的p轨道电子与Ti、Nb的d轨道电子有明显的杂化作用且存在从金属元素向氧原子的电荷转移，表明Ti2AlNb基合金O相表面有形成混合氧化物的可能性，而非更具保护性的Al2O3。其次，对氧在O相表面吸附的进一步计算表明，氧吸附时氧分子首先自发解离为原子，然后与金属表面稳定结合，说明氧与O相为化学结合。采用NEB计算了氧原子从表面稳定吸附位置向体相间隙位置扩散的最小能量路径，其势垒为2eV以上，说明O相的氧化主要受氧原子扩散控制，表面氧化膜稳定性较好。第二部分研究围绕O相/B2相界面

5、氧化性质进行。首先研究了正交结构O相与体心立方结构B2相的界面结合性质。对两相晶格结构分析表明(110)O和(211)B2面具有最小的晶格错配度，由此构建了(110)O/(211)B2界面，并考察了不同堆垛方式及两相的相对位置对界面稳定性的影响。经结构优化后的界面呈“HCP”堆垛的共格结构。氧原子在此界面的吸附能略高于其在O相(010)表面的吸附能。进一步采用第一性原理分子动力学方法研究了温度场作用下(110)O/(211)B2界面与(110)O表面氧化及氧化物生成的动力学特征。结果显示，在室温条件下，生成的氧化产物结构复杂呈不同的晶体结构，主要包含Ti

6、O2、Al2O3等，不同氧化物拟合在一起较为致密。随着温度的上升，氧化物结构变得疏松，氧原子获得更高的动能并开始向基体内部扩散。在高温环境中，氧原子向体相扩散的趋势更强烈，再次证明O相合金的氧化敏感性主要表现在1000K以上的高温阶段。综上，Ti2AlNb合金本身具有较强的吸氧能力，倾向于形成复杂的氧化膜并在1000K以下的中高温环境中保持稳定。其氧化行为的初始阶段受元素扩散控制，高温下迅速提升的扩散速率以及形成的疏松氧化物结构是导致合金氧化失效的关键因素。关键词：氧化；第一性原理；Ti2AlNb基合金；O相；界面I哈尔滨工业大学工程硕士学位论文Abst

7、ractAsacandidatematerialforthereplacementofNi-basedsuperalloys,Ti2AlNb-basedalloyshaveabroadapplicationprospectinaerospacefieldduetoitsexcellentmechanicssuchashighspecificstrength,goodhightemperaturefracturetoughness,strongcreepresistance,andsoon.However,theirpracticalapplication

8、sarehinderedbytheseriousoxidationateleva