Ti-Mo合金β结构稳定性及理论强度的第一性原理研究

应用基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波法和超晶胞法对Mo含量(原子分数)为6.25%～37.5%的Ti-Mo二元合金的结合能和电子结构进行了计算;通过晶胞拉伸变形过程中单原子结合能随拉伸方向晶格常数的变化曲线计算出了合金成分为Ti15Mo1,Ti14Mo2,Ti13Mo3,Ti12Mo4,Ti11Mo5和Ti10Mo6的Ti-Mo二元合金在单向拉伸状态下的理论强度。研究了Mo元素对增强β钛合金稳定性,提高β钛合金强度的作用及作用机理。结果表明:随着Mo元素含量的增加,Ti-Mo二元合金β相的稳定性和理论强度都有明显提高;态密度的分析表明,Ti,Mo成键作用的加强导致了合金理论强度的提高。     

钇对Ti-Ti5Si3共晶合金微观组织和力学性能的影响

研究了稀土元素钇（Y）对Ti-Ti5Si3共晶合金的微合金化作用。微观组织分析表明,添加微量Y,可以改变原始钛硅合金的共晶团形态和组织形貌。适量Y的加入（原子比0．025％）,不仅使共晶团中粗大的Ti5Si3相颗粒明显细化和钝化,而且合金的微观组织也更加均匀。合金的室温压缩塑性和强度也得到了有效提高。稀土元素Y对钛硅合金的作用,很可能是因为Y原子替代了Ti5Si3相中的部分Si原子,形成硅化物Ti5（Si,Y）3所致。     

Ni基超合金强化相的电子结构和层错能的计算

为了控制和调整合金中位错分解方式，最终达到控制蠕变机制和提高合金持久寿命的目的。应用实空间Recursion方法，计算了Ni3Al强化相中[111]层错的电子结构及加入微合金化元素Co的效应。建立了Ni3Al中沿[111]方向生长的晶体模型和产生层错后的晶体模型，给出了体元的电子态密度，费米能级和层错能。通过计算得到了以下结论：(1)在Ni3Al晶胞中Al对于总态密度的贡献在整个能量范围内较小，总态密度主要来自过渡金属Ni。(2)用Co原子代替Ni3Al中Al原子可以降低Ni3Al层错能。     

Hf对Nb15W5Si2B合金室温和高温力学性能的影响

 为了寻求Nb-Si基合金高温强度和室温塑性之间的平衡,设计了以Nb基固溶体相Nb-SS占主导的Nb15W5Si2BxHf(x= 0,5,10,15,原子百分数）合金,研究了Hf元素对Nb15W5Si2B合金的组织、室温和高温压缩性能以及高温蠕变性能的影响。结果表明,Nb15W5Si2B合金由Nb-SS和Nb5Si3两相组成,Nb5Si3相呈网状分布;Hf的加入不改变相组成,但Nb5Si3相由网状分布逐步变成不连续小岛状分布,而且体积分数减少。Hf同时提高Nb15W5Si2B合金的高温静强度和室温塑性,但对Nb15W5Si2B高温压缩蠕变性能不利。最后讨论了Hf对Nb15W5Si2B合金强化与塑性化机理。     

稀土元素Ce对NiAl金属间化合物结构及力学性能的影响

基于密度泛函理论的第一原理方法,使用VASP代码包计算分析稀土元素Ce对金属间化合物NiAl结构及力学性能的影响。结果表明:Ce原子在NiAl中优先占据Al位;Ce掺杂后引起NiAl晶胞畸变,晶格常数增大。通过电荷密度图和态密度图分析,Ce与邻近的Ni、Al原子发生相互作用并存在轨道杂化成键。计算弹性常数、弹性模量等物理量,结果表明,Ce使得NiAl的硬度降低,刚性变弱,利用Pugh判据分析得出Ce能够改善NiAl的韧性。随着Ce掺杂浓度的增加,NiAl晶格常数增大的幅度提高,NiAl的韧性越好,但其硬度和刚性降低的幅度也越大。     

高Cr铸造镍基高温合金K4648与陶瓷型芯的界面反应研究

采用金相显微镜、扫描电镜及能谱、电子探针和X射线衍射对高Cr铸造镍基高温合金K4648等轴晶和定向凝固铸件的合金/陶瓷型芯界面反应进行了系统研究,获得反应时间与反应量关系的界面反应动力学曲线、不同反应时间的反应界面形貌及产物的种类。结果表明:高Cr铸造镍基高温合金K4648与铝基型芯不易发生反应,而与硅基陶瓷型芯发生剧烈的界面反应,反应产生金属瘤状凸起物,造成铸件内腔破坏。此外,白色的硅基型芯内部变成黑色,黑色反应区内含有一定量的Cr,Al,Ti元素。在反应的中、后期型芯黑色反应区内还存在着灰色区,该区的Cr,Al,Ti含量远高于黑色反应区。高Cr铸造镍基高温合金K4648合金与硅基陶瓷型芯反应分为:(1)富Cr,Al,Ti熔体向型芯内的渗入阶段;(2)富Cr,Al,Ti熔体与陶瓷型芯SiO2基体的反应;(3)富Cr,Al,Ti的熔体与型芯中Zr-SiO4颗粒反应三个阶段。反应过程中型芯存在局部液化现象。K4648合金/硅基陶瓷型界面反应产物主要为层状或树枝状Al2O3,块状Cr3Si金属间化合物、ZrO2,富Cr,Zr,Al,Ti的复合氧化物、共晶形态的富Cr,Si,Al,Ti的复合氧化物、块状或树枝状的富Ti,Al,Zr,Cr复合氧化物。反应产物中的Cr,Al,Ti元素来自合金熔体而Zr,Si,O来自陶瓷型芯。     

Cr对Nb-16Si-22Ti-2Al-2Hf合金显微组织与高低温力学性能的影响

 以Nb-16Si-22Ti-2Al-2Hf成分为基础,分别添加了2%和17%(原子分数,后同)的Cr元素替代Nb(分别称2Cr和17Cr合金),研究了Cr含量对Nb-16Si-22Ti-2Al-2Hf合金相组成、显微组织形貌、室温断裂韧性和高温强度的影响,分析了高低温失效机制。结果表明,铸态和1 375 ℃×100 h热处理后2Cr合金由Nbss和Nb₅Si₃两相组成;当Cr含量为17%时,出现了具有C15结构的Laves Cr₂Nb相,合金由Nbss、Nb₅Si₃和Cr₂Nb三相组成,热处理后在Nb₅Si₃中还析出了球状Cr₂Nb相。随着Cr含量由2%提高到17%,热处理合金的室温断裂韧性K_Q由14.32 MPa·m^1/2下降到10.30 MPa·m^1/2。合金强度与Cr含量的关系受温度影响,随Cr含量提高,室温和1 150 ℃时合金的硬度或强度增高,而1 250 ℃和1 350 ℃时合金强度降低。如1 150 ℃时2Cr和17Cr合金的屈服强度σ_0.2分别为349 MPa和387 MPa;1 350 ℃时分别为306 MPa和74 MPa。     

Microstructure evolution of a hypereutectic Nb–Ti–Si–Cr–Al–Hf alloy processed by directional solidification

In this work, the Nb–14Si–24Ti–10Cr–2Al–2Hf–0.1Y alloy(at.%) was processed by the liquid–metal-cooled directional solidification(DS) at 1750 C with withdrawal rates of 1.2, 6,18 mm/min and post heat treatment(HT) at 1450 C for 10 h. The microstructures of the directionally solidified and heat treated samples were investigated. The results show that the microstructure of directionally solidified alloy mainly consists of petaloid Nbss+ Nb5Si3eutectics and Ti-rich Nbss+ Nb5Si3+ Cr2Nb eutectics. With the increase of withdrawal rate, the primary Nb5Si3is eliminated, Nbss+ Nb5Si3eutectic cells turn round and connected with the microstructure refinement and Nbss+ Nb5Si3+ Cr2Nb eutectics turn to a river-like morphology. After heat treatment,Nbss+ Nb5Si3+ Cr2Nb eutectics disappeared and petaloid Nbss+ Nb5Si3eutectics turn to a specific fiber-mesh structure gradually, which is promoted by higher withdrawal rates. Furthermore,both the volume fraction of Cr2Nb and the content of Cr in Nbssof Nbss+ Nb5Si3eutectics change regularly with the increase of withdrawal rate and heat treatment at 1450 C for 10 h.     

合金元素Al对Cr-20Nb合金高温抗氧化性能的影响

采用机械合金化＋热压烧结工艺制备了掺杂合金元素Al的Cr-20Nb合金,研究Al对Cr-20Nb合金在1100℃和1200℃下高温抗氧化性的影响。结果表明,合金元素Al能促进Cr-20Nb合金氧化时生成AlNbO4复合型氧化物,该复合型氧化物能有效抑制Cr2O3,的挥发反应,从而改善Cr2O3,氧化层的致密性,并提高氧化膜的粘附性,导致合金抗氧化性显著提高。不同Al含量的Cr-20Nb合金氧化增重均近似于抛物线规律。     

Si和Ti对Nb-6Hf-4Zr-2B合金组织和室温力学性能的影响

 为了寻求Nb合金的强度和塑性的平衡,设计了以Nb基固溶体Nbss为主导相的Nb-xSi-6Hf-4Zr-2B-yTi(x=4,8;y=10,30;原子分数)合金,研究了Si和Ti对合金组织和室温力学性能的影响。结果表明,合金由Nbss、Nb3Si和Nb5Si3等3相组成。4Si-(10,30)Ti合金铸态组织是Nb枝晶和分布在枝晶间的硅化物(Nb3Si和Nb5Si3),8Si-(10,30)Ti合金Nb枝晶间分布的是Nb/硅化物(Nb5Si3)的共晶和Nb3Si,随着Si和Ti含量的增加,硅化物体积分数增加。1 600 ℃退火50 h可使部分Nb3Si共析分解,改变合金的组织形貌和各相的体积分数。随着Si和Ti含量的增加,合金的硬度和强度增加,但塑性和韧性降低。Nb枝晶的失效方式为解理断裂,而硅化物为脆性断裂。     

L10-TiAl金属间化合物Mn,Nb合金化电子结构的计算

采用第一原理赝势平面波方法计算了L10型TiAl金属间化合物中掺入Mn,Nb后的电子结构和价键结构.通过合金原子形成热得出Mn优先占据Al点阵位置,Nb优先占据Ti点阵位置.Mulliken聚居数分析发现Mn或Nb合金化后,分别降低了(001)和(002)面内的原子间键合强度,掺入Nb还降低了层间的原子间键合强度,而掺入Mn,则使层间原子间键合强度增加.整体上来讲,掺入Mn有利于改善TiAl的室温脆性,而掺入Nb,不利于改善TiAl的室温脆性.     

激光沉积制备Nb3Al基难熔金属间化合物研究

通过控制激光功率使Nb-12Ti-22Al(at%)和Nb-22Al(at%)两种成分配比的混合元素粉末在Ti-6Al-4V基体上激光沉积合成了Nb3Al基难熔金属间化合物,并达到了预期设定的成分配比,其显微组织均匀细小,在δ-Nb3Al基体上分布着不同形态的β-Nbss.在合适的激光功率下,无裂纹的沉积层厚度有一定的限制,随着沉积厚度的增加,沉积层中残余拉应力增大,沉积薄壁件容易在底部发生断裂.由于Ti的添加使Nb-12Ti-22Al的的裂纹倾向性小于Nb-22Al.     

电子束区熔定向凝固Nb基高温合金的组织和性能

研究了Nb-Si-Ti-Hf-Cr-Al-B-Y合金在电子束区熔炉上的定向凝固组织、室温断裂韧性和高温瞬时拉伸性能.合金的组织主要由Nb基固溶体(Nbss)、α-(Nb)5Si3和(Nb)3Si相组成.定向凝固后,初生Nbss枝晶以及Nbss α-(Nb)5Si3/(Nb)3Si层片状或棒状共晶团均沿着试棒轴线定向排列.当电子枪移动速率R=2.4 mm/min时,定向效果最好.定向凝固使合金在1250℃的拉伸强度及室温断裂韧性均显著提高.R=2.4 mm/min试棒的抗拉强度最高,达85.0 MPa,同时其室温断裂韧性也达到19.4 MPa·m1/2.     

Nb-Si-Mo三元系合金相图

 Nb/Nb5Si3原位复合材料是一种有望替代镍基超合金用做飞机发动机叶片的新一代超高温结构材料。采用非自耗电弧熔炼技术制备出不同成分的Nb/Nb5Si3原位复合材料,利用X射线衍射仪、扫描电镜和能谱仪对Nb-Si-Mo三元系合金的相组成和微观组织进行研究。结果表明：Nb-Si-Mo三元系部分液相面投影图（<37.5 at% Si）含有4个初生相区,其立体相图中存在2个液固四相平衡反应和1个固态四相平衡反应。在2个液固四相平衡反应面之间存在一个三相共晶平衡棱柱,成分位于该棱柱内的合金会通过L→Nbss+β-Nb5Si3反应凝固生成Nbss/β-Nb5Si3片层共晶。     

Mar-M247铸造高温合金平衡析出相热力学计算与分析

以Mar-M247合金为对象,通过热力学模拟计算,研究合金元素变化对平衡析出相、合金初熔温度和终熔温度的影响规律。结果表明:合金的主要平衡析出相为γ'相、MC、M6C、M23C6型碳化物、μ相及MB2、M3B2型硼化物,合金凝固过程中Hf和Ta元素偏析比较严重;在成分标准范围附近波动时,对初熔温度影响最大的合金元素为Cr、Mo、Ti、Hf;碳化物的析出温度和析出量均随C含量的增加呈线性递增趋势;另外,Hf、Ti、Ta含量的提高有利于MC型碳化物的析出;Cr含量的提高有利于M23C6型碳化物的析出;而W和Mo含量的提高则有利于M6C型碳化物的析出;μ相主要受Mo和W元素影响,随着二者含量的升高。μ相的析出温度和质量分数均升高;Al、Ti和Ta含量变化均会影响合金中γ′相的析出量及析出温度,并且三者对于γ′相的影响程度依次减弱。     

Cr含量对Ti5Mo5V3Al-xCr系合金组织及性能的影响

对Ti5Mo5V3Al-x Cr(x=1.0,3.0,5.0,7.0,9.0)系五种合金分别在β单相区和(α+β)两相区固溶水淬处理后,并在同一温度时效后的力学性能进行了研究。结果显示,合金的时效强度随着Cr含量的增加而逐渐降低。通过扫描电镜SEM及XRD等分析测试手段,详细分析了五种合金在各种热处理状态下的相构成、相含量、尺寸形貌等微观因素与宏观力学性能之间的相关性。结果显示Ti5Mo5V3Al-x Cr系合金的强化机制主要是由于时效过程中析出的αs相造成的。合金强化效应的大小则与αs相析出的数量、尺寸密切相关,而αs相的析出机制主要由Cr元素在合金系中的含量所决定。     

真空吸铸TiAl基合金组织研究

利用金属型真空吸铸技术获得了TiAl基合金薄板件,并研究了该铸件的铸态组织以及合金元素对其组织的影响。实验结果表明:由于金属型的强制冷却作用,金属型真空吸铸的Ti-47Al合金薄板铸件铸态组织细小,平均晶粒尺寸在60μm左右;W元素的添加有利于B2相的形成,从而细化组织,其机理是B2相阻碍了α晶粒长大;Si元素添加生成的Ti5Si3相,主要分布在晶界处,形成的Ti5Si3第二相质点会阻碍TiAl基合金凝固过程中组织的长大,有利于细化TiAl基合金组织。     

B2-NiAl弹性性质Ag合金化效应的理论研究

采用第一原理赝势平面波方法和基于虚拟晶体势函数近似(VCA),计算了Ag合金化(浓度x＜1.0%,原子分数,下同)时完整与缺陷B2-NiAl晶体的弹性性质,并采用弹性常数C44,Cauchy压力参数(C12-C44)、弹性模量E、剪切模量G及其与体模量B0的比值G/B0等,表征和评判了Ag合金化浓度x对NiAl金属间化...     

K488合金平衡相的热力学计算

利用Thermo-Calc热力学计算软件,对K488合金平衡相和合金元素对析出相的影响规律进行了计算和实验两方面的分析。计算和实验结果均表明:合金的平衡相主要有γ、γ'、σ、碳化物,合金凝固过程中Mo,Ti偏析比较严重;随着C和Nb含量的增加,MC的析出量增加而析出温度降低,Ti元素则相反;Al、Ti元素含量的增加,γ'相析出量和析出温度逐渐增加;Cr含量对σ相的析出量和析出温度影响最大;计算和实验结果具有较好的一致性。     

合金化及热处理对Fe_3Al合金组织和性能影响

研究了不同的热处理条件及添加Mn,Mo,Nb,Cr,V,RE（La-Ce）等合金元素对Fe3Al合金组织和性能的影响。结果表明,Fe3Al合金在B2相区间保温淬火后的硬度值较小,在DO3相区短时间回火硬度值大幅增加,随回火时间延长硬度值呈降低趋势,在本实验的最长回火时间内（50h）硬度稍有提高;TEM分析表明,这与回火过程中DO3畴的尺寸变化有关;合金化后Cr和V的加入降低合金硬度,其它几种元素都提高了合金的硬度;SEM分析表明合金元素的作用机理不同：Cr软化了合金,Mo主要产生固溶强化,Mn、V、Nb加入后有第二相析出,RE元素主要偏析在晶界,细晶强化。