W掺杂对TiO2中氧空位形成能的影响

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1、2016年1月北京航空航天大学学报January2016第42卷第1期JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsV01．42No·1http：ffbhxb．buaa．edu．enjbuaa@buaa．edu．cnDOI：10．13700／j．bh．1001·5965．2015．0015W掺杂对Ti02中氧空位形成能的影响祝令刚1’2，周健1(1．北京航空航天大学材料科学与工程学院，北京100083；2．，孙志梅1’2'+北京航空航天大学集成计算材料工程中心，北京100083)摘要：为研究Ti合金中常

2、用的基体强化元素W对合金抗氧化性的作用，利用第一性原理方法计算了w掺杂对Ti合金氧化产物金红石TiO：中氧空位形成能的影响。计算发现，w可以显著增大其近邻位置的氧空位的形成能，使其增大将近0．7eV，这将有效抑制氧空位的产生以及环境中氧的渗透，对Ti合金的抗氧化性是有益的。同时研究了2个氧空位组成的不同构型的空位对，发现W同样可以增大氧空位对的形成能，但增加的数值平均到每个氧空位只有0．2eV，即随着氧化的加剧和氧空位浓度的增加，w对抗氧化性能提高的效果减弱。电子态密度分析表明，对于不同构型的氧空位对，体系内的未配对电子分布在不同的能级水平，这导致了不同的空位形成

3、能。关键词：W掺杂TiO，；氧空位；Ti合金氧化；点缺陷；第一性原理中图分类号：V252．2；0483；077+I文献标识码：A文章编号：1001-5965(2016)01-0054-05得益于较高的比强度和良好的耐腐蚀性能，Ti合金在航空航天、化工等领域有着极其广泛的应用。金属Ti低温下为密排六方结构，称为d—Ti，当温度高于882。C时转变为体心立方相，即6-Ti，为在室温下得到13．Ti，可添加基态为体心立方的金属，如V、Nb、Cr和Mo等。同理，一些元素对cc．Ti具有稳定效应，如Sc和A1、O、C和N等。也有一些元素被称为中性元素，即对2种晶体结构的相对

4、稳定性无影响，这类元素包括与Ti同主族的zr、Hf以及Sn等。实际应用的Ti合金中添加的元素种类很多，目的主要是实现对基体固溶强化，或者通过生成多相合金实现弥散强化。商用Ti合金的相组成也是多种多样的，比如仅合金Ti一5A1-2．5Sn、0【十13两相合金Ti-6A1-4V和B合金Ti．15V．3Cr．3A1-3Sn等‘1。21。Ti合金优异的低温抗氧化性能是其得到广泛应用的重要原因。低温下，Ti氧化时生成TiO，，在基体表面为致密结构，很好地保护基体¨J。由于Ti与0之间有很强的亲和力而且0在Ti中有很高的溶解度(原子分数高达30％)，通常在氧化物层下面会有一富

5、氧层，因为O本身稳定d相，此富氧层又称为“0【．case”，0【．case为硬脆相，在拉伸载荷下容易产生裂纹。由于高温下物质扩散速度加剧，d．case在温度越高时，越明显。温度超过6000C后，虽然此温度下TiO，仍具有很好的物理稳定性，但由于氧的渗透过程加剧，体系被氧化速度过快，在应用上不能接受口]。合金化改善Ti的抗氧化性已经有大量的报道，研究发现合金元素Nb【“、Al[圳和zr⋯等在一定的浓度范围内均为可添加的有益元素。这些元素影响氧化过程的机制是多种多样的，比如减慢氧穿过氧化层的速度等。TiO：中氧的扩散为空位机制，因此能抑制氧空位形成的元素可一定程度上减

6、慢Ti合金氧化速度。收稿日期：2015-01-06；录用日期：2015-01-22；嘲络出版时间：2015-01-2709：13网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／11．2625．V．20150127．0913．001．html基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金(30398801)}通讯作者：Tel．：010-82317747E-mail：zmsun@buaa．edu．cn引用格式：祝令刚，周健，孙志椽Ⅳ掺杂对Ti02中氧空位形成能的影嗬fJJ．北京航空航天大学学报，2016，42(I)：54—58．ZHULG，ZHOUJ，SUN

7、ZM．EffectsofW-dopingonformationenergyofoxygenvacancyinTiO2【】]．JournalofBeijingUniversi．tyofAeronauticsandAstronautics，2016，42(JJ：54·58(inChinese)．第1期祝令刚，等：W掺杂对TiO：中氧空位形成能的影响55实验上，合金元素w已被证明可增强Ti-6A1-4V的强度¨。9o。实际的材料的应用中，任何一种性能参数都是极其重要的，因此w对Ti抗氧化性的影响的研究也十分有必要。对于Ti合金的氧化过程，主要是环境中的氧以空位扩散机制穿

8、过TiO：