【摘 要】
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Ti Al合金因其低密度,优异的抗疲劳性以及优异的整体性能,成为理想的新型复合材料。体现在航空领域和汽车领域材料,用于航空发动机叶片和汽车发动机中。但较低的室温塑形和延展性限制了其应用。层状Ti Al合金由单相γ-Ti Al和单相α2-Ti3Al组成,少量的α2-Ti3Al相可以改善层状Ti Al的脆性,并且合金化是改善层状Ti Al室温塑形的主要方法。因此,本文基于密度泛函理论,利用第一性原理计
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Ti Al合金因其低密度,优异的抗疲劳性以及优异的整体性能,成为理想的新型复合材料。体现在航空领域和汽车领域材料,用于航空发动机叶片和汽车发动机中。但较低的室温塑形和延展性限制了其应用。层状Ti Al合金由单相γ-Ti Al和单相α2-Ti3Al组成,少量的α2-Ti3Al相可以改善层状Ti Al的脆性,并且合金化是改善层状Ti Al室温塑形的主要方法。因此,本文基于密度泛函理论,利用第一性原理计算方法,研究了合金元素M（M=Fe,Ru,Ge和Sn）在不同浓度下（6.25at.%,12.5at.%和18.75at.%）的掺杂在单相γ-Ti Al和单相α2-Ti3Al,以及合金元素Fe,Ru,Ge,Sn,Gd和Y掺杂在γ-Ti Al/α2-Ti3Al界面结构,计算了几何性质,能量稳定性和电子结构等,结合韧脆转变判据对单相γ-Ti Al和单相α2-Ti3Al的影响来判断合金化对层状Ti Al合金脆性性能的影响。同时,分析原子占位,界面断裂能,界面能和电荷密度等对单相γ-Ti Al,单相α2-Ti3Al和γ-Ti Al/α2-Ti3Al界面影响来改善层状Ti Al合金延展性,为设计优良性能材料和以后在实验中分析Ti Al合金性能提供了理论依据。主要结论如下:（1）从能量稳定性可以得到,各个体系中生成焓为负值,表明合金化元素后的体系比未添加的纯体系更稳定,即在一定实验条件下各个掺杂体系是可以由实验制备并能稳定存在的。（2）M（M=Fe,Ru,Ge,Sn）掺杂单相γ-Ti Al和单相α2-Ti3Al体系中,Fe和Ru掺杂后脆性到韧性转变浓度范围为0到6.25at.%;相对于Ge和Sn,掺杂在γ-Ti Al,脆性到韧性转变浓度发生在6.25at.%到12.5at.%,掺杂在α2-Ti3Al,脆性到韧性转变浓度发生在12.5at.%到18.75at.%。这意味着Fe和Ru掺杂γ-Ti Al相和α2-Ti3Al相浓度范围在0到6.25at.%左右脆性得到改善,而Ge和Sn掺杂在6.25at.%到18.75at.%浓度左右脆性得到改善。（3）M（M=Fe,Ru,Ge和Sn）掺杂γ-Ti Al/α2-Ti3Al界面中,断裂能显示,Fe掺杂γ-Ti Al/α2-Ti3Al界面的断裂能最小,对比于Ru掺杂γ-Ti Al/α2-Ti3Al界面的断裂能最大。对于掺杂元素Fe,Ru,Ge和Sn,其中Fe可以增加界面能,从而使γ-Ti Al/α2-Ti3Al界面不稳定;而Ru,Ge和Sn反而是降低界面能,因此可以稳定界面。这表明Fe可以增强Ti Al合金的延展性,而Ru,Ge和Sn可以改善层状结构的抗蠕变性。（4）X（X=Gd和Y）掺杂γ-Ti Al/α2-Ti3Al界面中,断裂能显示,Gd掺杂γ-Ti Al/α2-Ti3Al界面的断裂能最小,对比于Y掺杂γ-Ti Al/α2-Ti3Al界面的断裂能最大。对于掺杂元素Gd和Y,其中Gd可以增加界面能,从而使γ-Ti Al/α2-Ti3Al界面不稳定;而Y反而是降低界面能,因此可以稳定界面。这表明Gd可以增强Ti Al合金的延展性,而Y可以改善层状结构的抗蠕变性。
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