Sc在L10-TiAl金属间化合物中占位的理论研究

基于密度泛函理论,运用第一原理赝势平面波方法,采用CASTEP量子力学能量软件包研究了Sc占据Ti位与Sc占据A l位的超胞晶格常数、原子形成热、超胞总态密度与电子密度差分图,两种情况对比下,在L10-TiA l合金中,Sc优先占据Ti位,这一结论为进一步研究三元系TiA l-Sc合金提供了理论研究的基础。     

Re对Ni3Al屈服强度及断裂强度影响的第一原理研究

为了满足航空发动机热端部件材料力学性能的不断提高,应用基于密度泛函理论的第一原理方法,研究了Re对Ni_3Al金属间化合物力学强度的影响。通过建立掺杂Re前后Ni_3Al的滑移模型和断裂模型,计算了晶胞的不稳定堆垛层错能γ_(US)和断裂能γ_C,进而判断Re对Ni_3Al屈服强度和断裂强度的影响。另外根据经验判据,γ_C/γ_(US)值可表征材料的韧脆性。计算结果表明,Re的掺杂增大了Ni_3Al [11■](111)和[1■0](111)两个滑移系下的γ_(US),使得滑移系不易开动,不易使Ni_3Al发生塑性变形,增大了Ni_3Al的屈服强度。Re增大了Ni_3Al在密排面处的断裂能,使得其不易在密排面发生断裂,增大了断裂强度。关于改善Ni_3Al的韧性,Re的掺杂对于密排面上不同滑移方向的影响具有一定的差别。此研究工作可为改善航空发动机单晶叶片的力学性能提供理论基础。     

高强铝合金中间相Al2 Cu,Al2 CuMg和MgZn2性能的第一性原理计算

采用第一性原理平面波赝势方法,计算Al-Zn-Mg-Cu系高强铝合金主要中间相Al2 Cu,Al2 CuMg和MgZn2的结合能、形成焓、弹性常数及态密度。计算结果表明：3相结合能按MgZn2>Al2 CuMg>Al2 Cu顺序递减;形成焓按MgZn2>Al2 Cu>Al2 CuMg顺序递减;Al2 Cu具有很高的弹性模量,同时具有一定的塑性,可以作为合金的强化相;Al2 CuMg是典型的脆性相,并表现出明显的各向异性,容易诱导产生裂纹;MgZn2具有良好的塑性,同时熔点较低,是合金的主要强化相;3相中均存在离子键的相互作用,提高了结构稳定性;通过适当降低Cu,Mg含量,提高Zn的含量,有利于生成MgZn2相,进一步提高合金的综合性能。     

压力对Fe_（16）N_2结构和磁性的影响

用基于密度泛函理论的第一性原理方法,系统地研究了压力对Fe16N2体系结构和磁性的影响。结果表明仅仅离N位最远的Fe Ⅲ拥有一个约为2.84μB的大磁矩,而FeⅠ和Fe Ⅱ原子没有大磁矩产生。此外,还发现从0到47 GPa,总磁矩和单胞体积随着压力的增加单调减小,然而,在48 GPa的压力作用下,伴随着单胞体积的剧减,体系总磁矩消失。     

氧在钒中基本热力学行为的第一性原理研究

钒(V)是核聚变反应堆结构材料的重要候选材料。实验表明杂质氧(O)会对V的结构和力学性能产生极大的影响。采用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了O在V中热力学稳定性、扩散特性以及与缺陷空位的相互作用。O在V中易于占据八面体间隙位,其溶解能为-4.942 eV。O在间隙位的最佳扩散路径为八面体间隙位→四面体间隙位→八面体间隙位,扩散激活能为1.728 eV,在此基础上对不同温度下的扩散系数在文中给出了详细分析。O在V中与空位存在很强的吸引相互作用,1个O原子和2个O原子被空位捕获时的捕获能分别为-0.484 eV和-0.510 eV。当O原子的数量超过3,其捕获能变为正值0.382 eV,因此单空位最多能够结合2个O原子,这意味着"O_1-vacancy"和"O_2-vacancy"团簇在V中很容易形成。这些研究结果将对V基合金在核聚变反应堆中的最终应用具有一定的参考价值。     

Ni晶界上金属和非金属元素的相互作用

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,研究了常用合金化元素与非金属元素在晶界（GB）的偏析及其相互作用。选取2种类型的晶界结构进行研究:密排的晶界和较疏松的晶界。溶解能计算表明,金属和非金属元素在∑5晶界上均有明显的偏析行为,而在∑3晶界上的偏析现象不明显。通过计算常用过渡族合金化元素与非金属杂质C、H、O、N、B在各自最稳定位置的相互作用能,发现Ru、Re、W和Ta对O有强烈的排斥作用,因此对晶界抗氧化有益处;Ta排斥H,有抗晶界氢脆的效果。通过对金属元素与非金属元素在晶界上相互作用的系统研究,为Ni合金的晶界工程提供有价值的参考。      

Cr对ZrO2/Ni热障涂层界面结合的影响

热障涂层广泛用于航空、航天领域,涂层与基体的界面结合强弱是决定涂层寿命的一个关键因素.为了提高其使用寿命,必须要求涂层与基体的界面有较好的结合.利用密度泛函理论框架下的第一性原理离散变分(DV)方法研究了ZrO₂Ni热障涂层界面的能量学和电子结构,讨论了替位型掺杂的Cr在ZrO₂Ni热障涂层界面中的作用.结果表明:Cr容易偏聚于界面处(偏聚能达6.03eV),Cr使得体系结合能增加,体系更稳定,有利于界面的结合;界面处原子电荷占据数和电荷密度计算表明:加入Cr后跨界面方向的电荷密度增加,同时也使得界面内电荷密度增加,这有利于跨界面方向的以及沿界面方向的成键,从而加强了涂层与基体材料的结合.     

TiAl合金基本物性的第一性原理研究

应用第一性原理方法优化了TiAl金属间化合物晶胞的晶体结构,比较和分析了该晶胞与Ti晶胞以及Al晶胞的键长、体积、体弹性模量、杨氏弹性模量、泊松比等力学性质,分析和解释了TiAl合金具有高强度和脆性等性能的根本原因。并且分析了该晶胞的电子态密度-能级曲线,证实TiAl合金是导电性较高的良导体。最后展望了TiAl合金工艺的发展方向。     

3d过渡金属在L10-TiAl中占位的第一原理计算

采用第一原理赝势平面波方法研究TiAl—X（X为3d过渡金属）超胞合金体系的几何、能量与电子结构。通过计算、比较、分析Ti7A18X与Ti8Al7X超胞的合金形成能,得出3d过渡金属在L10—TiAl合金中的占位情况：合金化元素的外层电子数,特别是外层的d电子数对其在L10-TiAl合金中的占位有非常明显的影响,d电子数较少的前过渡金属Sc、V和Cr主要优先占据Ti原子位,而d电子数较多甚至是满d壳层的Mn、Fe、Co、Ni、Cu和Zn则主要优先占据Al原子位。与相关理论研究比较,对Cr元素在L10-TjAl合金中占据情况得出不同结论。对于合金化元素在L10-TiAl合金中占据不同亚点阵的情况,还从电子分波态密度角度,很好地解释了其产生的电子机制。     

Nb基合金中氧原子扩散及团簇化的第一性原理

利用第一性原理计算,研究了氧原子在Nb中的扩散现象以及施加应变的影响,并对氧原子在Nb-Ti、Nb-Zr合金中的团簇化进行了计算分析。发现在单向应变下,在平行于应变方向上,氧原子的扩散势垒随着应变的增大不断减小,当应变为10%时,扩散激活能从初始的0.92eV降低至0.5eV左右;在垂直于应变方向上,氧原子更容易扩散至被拉长的八面体间隙中,即单向应变下氧原子会在Nb中沿应变方向聚集排列,这会在实际材料中导致应力的集中。计算研究了氧原子在Nb合金中的团簇化问题,发现在纯Nb中,氧原子倾向于均匀分布而不是形成氧原子对;添加合金元素Ti和Zr后,随着氧原子浓度的升高,氧原子对将在合金元素周围形成,Zr周围氧原子对的形成可使体系的能量降低0.29eV。