钛及其合金,具有比强度高,耐腐蚀,热性能好,有较高的生物兼容性等优点,广泛应用于航空航天,船舶制造,生物医疗,汽车制造等多个方面。在高速的工业发展进程中,钛合金的应用占有越来越大的比重。但同时,钛属于密排六方型(HCP)金属,HCP型金属存在一个共有的问题,即相对于面心立方和体心里方金属,其滑移系较少,导致其塑性及加工延展性较差。针对此点,材料工作者从实验和模拟的角度做了大量的工作希望能够改善钛合金的低塑形。其中应用比较广泛也最为有效的方式是通过掺杂合金元素的方式,来改善钛合金的机械性能。基于以上研究背景,本课题利用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,系统研究了不同掺杂元素对钛合金广义层错能曲线的影响,从而分析钛合金中的最佳掺杂元素,并从电子结构角度揭示其变形机理。为实验制备高强度钛合金提供理论方法和依据。具体研究内容包括:1.根据第一性原理计算了 Hg,Pb,Pd,Si,Sn,W,Zn,Zr八种置换掺杂元素以及C,H,O,N四种间隙掺杂元素对于钛合金基面以及柱面广义层错能曲线的影响。通过比较稳定层错能和不稳定层错能的比值(γSF/γUSF)判断掺杂元素对变形方式的影响;通过比较孪晶和层错的成型势垒(γUT/γUSF)的值判断掺杂元素对孪晶和层错成型倾向的影响。2.通过计算不同体系的表面能(γS),研究掺杂元素对钛合金强度的影响。表面能可以看作是形成新的表面所需要克服的能量势垒,即材料抵抗裂纹形成以及拓展的能力,因此可以用来作为估算材料断裂强度的指标。不仅如此,可以通过表面能和不稳定层错能之比(γS/γUSF)表征材料的延展性。计算结果表明,Ti-W体系是最佳掺杂体系,能够使钛合金保持较高强度的同时,塑性得到改善。3.通过计算不同掺杂体系滑移过程中电荷密分布从微观角度揭示掺杂元素对于钛合金变形机理的影响。结果表明,不同的合金元素通过使电荷从钛原子转向掺杂原子,从而减小了钛原子之间的交互作用,进而对钛合金广义层错能曲线以及变性行为产生影响。