TiAl金属间化合物电子结构及掺杂效应研究

《TiAl金属间化合物电子结构及掺杂效应研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、钢铁研究总院博士学位论文TiAl金属间化合物电子结构及掺杂效应研究姓名：党宏丽申请学位级别：博士专业：材料学指导教师：王崇愚20060901钢铁研究总院博士学位论文摘要金属间化合物研究是近十年来国际材料界研究的热点之一。金属间化合物是原子有序排列的中间相，晶体结构上原子排列的长程有序性和原子键合方式上具有金属键和共价键的双重性，使其可能兼有金属和陶瓷材料的性能特点，从而成为新型结构材料的重要分支，并获得广泛的应用。TiM基金属间化合物具有低密度、较高弹性模量以及良好的高温强度、抗蠕变和抗氧化能力

2、，可广泛应用于汽车或航空发动机的高温部件如涡轮盘、叶片和气门阀等。y—TiAI由于具有较好的综合性能，是TiM基金属间化合物中有良好工业应用前景的一种金属间化合物。但是较低的室温塑性阻碍了它的快速发展，其中，合金化是使之室温性能得以改善的最主要的途径。本论文基于密度泛函理论的第一原理离散变分(DV)和DMol方法，对y—TiAI合金及其掺杂体系进行了第一原理电子结构和能量学研究，给出了y一’FiAl中的能量学信息和键合特征，在电子层次上探索微观与宏观物性的关联。本论文包括以下三部分的工作：一、L

3、10TiM中3d过渡元素的第一原理研究。利用密度泛函理论框架下的第一原理DMol和DVM方法研究了3d过渡金属如V、Cr、Mn、Fe、Co和Ni等对L】oTiM的力学性能的影响。转移能的计算结果表明这些3d合金化元素都具有Al占位倾向并且其占位优先顺序为：V

4、离增大。3d过渡元素都使得基体的c／a轴比接近1，同时原子问相互作用能的结果表明掺杂元素和周围近邻基体原子之问的原子间相互作用增强，而且电荷分布的计算结果表明掺杂元素使得TiAI体系中小d相互作用显著增强，P—d相对减弱。以上分析表明以3d过渡金属元素置换Al位可导致局域区域键性趋于均匀化，因而可能利于合金的塑性。钢铁研究总院博士学位论文二、轻元素对TiAl电子结构的影响。利用DMol和DVM方法，我们重点研究了不同掺轻元素杂质的掺杂y．TiAl体系(H一、B．、C一、N一和O-)的电子结构。从

5、杂质形成能的结果来看，H、B、c、N和O都倾向优先占据y．TiAl的富Ti八面体间隙位置，而不是富Al的八面体问隙位置，而且它们的位置占位顺序为：H

6、系中，B、C和N均导致出现较纯TiAl更强的键合特性，而H和O的效应恰相反。因此，掺B、C、N的体系意味着局域区域的键性趋于均匀化，这反映了改善塑性的电子效应。三、Ta和w在7一TiAl中合金效应的第一原理研究。采用密度泛函理论框架下的第一原理离散变分方法(DvM)研究了难熔元素Ta和w在7一TiAI中的电子结构及能量学特征。结合能以及杂质形成能的结果表明Ta和w可以通过置换TiAI基体中的Ti原子方式稳定的存在与TiAI中，同时Ta和w可以降低体系的能量，使得含Ta和w的掺杂体系相对于纯nAl

7、体系具有局域的稳定性。同时Ta和w同时出现在TiAI体内时会出现占位竞争，其占据的优先顺序是W>Ta。另外，Mulliken轨道占据数分析，态密度以及差分电荷密度分析结果均表明难熔元素Ta和W的引入可以提高杂质元素与其近邻基体元素之间的相互作用，提高各相应原子之间的键合强度，导致较强的固溶强化效应。结果表明Ta和w在y—TiAl中的作用方式相同。关键词：密度泛函理论、第一原理、电子结构、y—TiAI钢铁研究总院博士学位论文AbstractTiAl一basedalloysareaprospecti

8、velightmaterialforhightemperaturestructuralapplicationandhavebeeninvestigatedextensivelyoverthelastdecade．y—TiAIisprobablyoneofthemostpromisingintermetalliccompoundsbecauseofthegoodbalancebetweenlightness，strength，andoxidationresistance．Itsuffers，how