高Nb-TiAl合金中析出相高压物性理论研究
发布时间：2021-12-22 15:10
相对传统TiAl合金,高Nb-TiAl中部分Ti原子位置或Al原子位置被Nb原子取代,表现出优异强度、抗氧化及抗蠕变性能,应用范围比传统TiAl合金更宽,有望在中等应力和温度区间取代镍基高温合金。同时,由于Nb原子添加,引起TiAl合金中γ/γ+α2和α2/γ相界发生改变,导致高Nb-TiAl合金片层晶团晶界上形成各种不同析出相。另外,热处理工艺及Nb含量不同,也会引起新相析出,这些析出相影响着高Nb-TiAl合金强度、抗氧化、抗蠕变及室温塑性等物理性能。高压下高Nb-TiAl合金会表现出与常压不同的物理性质,高压极端条件施加能够改变高Nb-TiAl合金晶胞体积,改变凝固过程中各相自由能、熔点、比热等物理性质,还可使高Nb-TiAl合金内部发生相变,对初生相选择、相变热力学及动力学等产生一系列重要影响。高压物理学是研究物质在高压作用物理行为学科,成为发现新物质、揭示新现象和规律的重要手段,越来越受到人们重视。本文基于密度泛函理论,采用第一性原理方法,对高Nb-TiAl合金中二元析出相γ-TiAl、DO22-Al3Ti、α2-Ti3Al;长周期析出相 r-Al2Ti、Al5Ti3、h-A...
【文章来源】：中国工程物理研究院北京市
【文章页数】：137 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．２长周期析出相晶体结构图ｒ－Ａｌ２Ｔｉ?（ａ）、Ａｌ５Ｔｉ３?（ｂ）、ｈ－ＡＩ２Ｔｉ?（ｃ）??第７页??
髙Ｎｂ－ＴｉＡｌ合金中析出相高压物性理论研宄??Ｖ?ｘ＾＇〇ｙ??，一ｔ?”??ｈ?Ｖ??Ｘ?＾??Ｘ??图２．?１物体空间应力分量??图２．１为物体空间应力分量图，其中〇和Ｔ下标表示的为方向，其中第一个字母表??示应力作用面法线方向，而第二个字母为应力作用方向。正负号规定为拉应力为正，压??应力为负。对于剪切应力，轨道体积元内任意面上法向应力与坐标轴正方向相同。一个??面上，如果剪切应力指向坐标轴正方向，则为正；反之，应力指向坐标轴负方向，则为??负。应力张量表达式为：??＾?ｘｘ?＾ｘｙ?＾?ｘｚ??ｒ，，?＾ｖｖ?Ｔｙｚ?（公式?２－３０）??法向应力引起材料拉伸变化，而剪切应力引起材料的切向畸变。根据平衡条件，体??积元上同一平面上两个剪切应力互相垂直，两个相对平行平面上法向应力大小相等、正??负号相同。由剪切应力互等原理可得：ｒｖ?＝?ｒｖ：ｌ．ｒｔ＿．?＝?ｇ，ｚ：ｗ＝％，因而，由六个应力分??量ｆ?＿＿，￣，Ｌｒ；）即可确定一个点应力状态。不考虑热应力与其它预应力情况下，??完全弹性体应力一应变关系一般形式及矩阵形式可以写成（公式２－３１?）及（公式２－３２）：??ａｘｘ?＝?＾?Ｉ＼￡ｘ?＋?＾１２＾１?＋?＾＼ｙ￡：?＋?＾?＼＾ｙｙｚ?＋?＾１５＾－ｒ?＋?＾?ｉｂ／ｘｙ??＝Ｃ２｛．ｒ?＋?Ｃ２２ｆ，．?＋?Ｃ２３ｆ：?＋?Ｃ２４；ｋ＇＇：?＋?Ｃ２５／：ｒ?＋?ｄ％／．”??？：＝Ｃ３丨？＋?＋?Ｃ３４／，：?＋。＇５，口?＋?Ｃ３６／．ｒ．ｖ?（公式?２?’?１）??ｒ．ｖｒ?＝?＋?Ｃ４２ｆｆｖ．?＋?Ｃ．４３ｆ：?＋?（．?“／ｐ?＋〔４５；＾?＋?（．４６广＇＇，??Ｔ－
出相髙压物性理论研宄??平均形成能可用于表征材料结构稳定性，计算所得三种二元析出相Ｙ－ＴｉＡｌ、ａ２－Ｔｉ３Ａｌ、??Ｄ０２２－Ａｌ３Ｔｉ平均形成能分别为－０．４５８４ｅＶ、－０．３６２３?ｅＶ、－０．４２３３?ｅＶ。三种二元析出相平均??形成能均为负值，满足能量稳定性。??本章计算所得丫－ＴｉＡｌ、Ｄ０２２＿Ａｌ３Ｔｉ、ａ２－Ｔｉ３Ａｌ三种二元析出相的弹性常数值明显满足??上述三个条件，说明丫－ＴｉＡｌ、Ｄ０２２－Ａｌ３Ｔｉ、ａ２－Ｔｉ３Ａｌ三种析出相在基态下满足力学稳定性。??从图３．１可以看出，丫－ＴｉＡｌ、Ｄ０２２－Ａｌ３Ｔｉ、ａ２－Ｔｉ３Ａｌ三种二元析出相的声子频率均在??ＯＴＨｚ以上，并无出现虚模，说明三种析出相在基态下满足动力学稳定性。??３．３．８长周期相基态稳定性??ｒ－Ａｌ２Ｔｉ、Ａｌ５Ｔｉ３为四方晶系，基态下力学稳定性判据与ｙ及Ｄ０２２相一致，如（公式??３－１）所示，正交晶系ｈ－Ａｌ２Ｔｉ基态下的力学稳定性条件如（公式３－３）所示：??卜?６，产＋。２２＋４本１２＋，１３?＋。』＞。，?式３＿３）??（Ｃ，，?＋?Ｃ２２?－?２Ｃ１２）?＞?０，?（Ｃ，，?＋?Ｃ３３?－?２Ｃ１３）?＞?０，?（Ｃ２２?＋?Ｃ３３?－?２Ｃ２３）?＞?０??根据各自弹性常数值可知，三种长周期析出相均满足各自力学稳定判据，说明??ｒ－Ａｌ２Ｔｉ、Ａｌ５Ｔｉ３、ｈ－Ａｌ２Ｔｉ金属间化合物在基态下是力学稳定的。??本章计算所得三种长周期析出相ｒ－Ａｌ２Ｔｉ、Ａｌ５Ｔｉ３、ｈ－Ａｌ２Ｔｉ平均形成能分别为??－０．４６６７ｅＶ、－０．４６５５ｅＶ、－０．４６３４ｅＶ均为负值，说明三种长周期析出相基态下满足能量稳??定性。??
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于第一性原理的高压下TiAl结构、力学性能及热力学性质研究（英文）[J]. 邓世杰,赵宇宏,文志勤,韩培德. Journal of Measurement Science and Instrumentation. 2017(02)
[2]Ti4Nb3Al9结构稳定性和弹性性质的第一性原理研究[J]. 杜宇雷,卢晓阳,欧园园,王顺. 徐州工程学院学报(自然科学版). 2017(01)
[3]Ti-Nb-Al体系相结构稳定性的第一原理计算[J]. 文韬,都昌兵,程党根. 热加工工艺. 2014(16)
[4]Structural and Thermodynamic Properties of TiAl intermetallics under High Pressure[J]. 李旭升,王海燕,历长云,米国发,胡前库. Communications in Theoretical Physics. 2012(01)
[5]α2-Ti-25Al-xNb合金力学性质的第一原理计算[J]. 曾宪波,彭平. 金属学报. 2009(09)
[6]锻造高铌双态TiAl合金的冷轧工艺及组织力学性能研究[J]. 王兴,林均品,张来启,王艳丽,林志,陈国良. 稀有金属材料与工程. 2009(08)
[7]TiAl基金属间化合物的发展[J]. 林均品,陈国良. 中国材料进展. 2009(01)
[8](α2+O+B2)三相Ti3Al基合金的微观组织与力学性能[J]. 曹京霞,许剑伟. 钛工业进展. 2008(05)
[9]γ-TiAl中Nb和Mo合金化效应的第一性原理研究[J]. 党宏丽,王崇愚,于涛. 物理学报. 2007(05)
[10]钇对Ti-23Al-25Nb合金热处理组织及性能的影响[J]. 陈玉勇,司玉锋,孔凡涛,陈子勇. 稀有金属材料与工程. 2006(04)
本文编号：3546607
【文章来源】：中国工程物理研究院北京市
【文章页数】：137 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．２长周期析出相晶体结构图ｒ－Ａｌ２Ｔｉ?（ａ）、Ａｌ５Ｔｉ３?（ｂ）、ｈ－ＡＩ２Ｔｉ?（ｃ）??第７页??
髙Ｎｂ－ＴｉＡｌ合金中析出相高压物性理论研宄??Ｖ?ｘ＾＇〇ｙ??，一ｔ?”??ｈ?Ｖ??Ｘ?＾??Ｘ??图２．?１物体空间应力分量??图２．１为物体空间应力分量图，其中〇和Ｔ下标表示的为方向，其中第一个字母表??示应力作用面法线方向，而第二个字母为应力作用方向。正负号规定为拉应力为正，压??应力为负。对于剪切应力，轨道体积元内任意面上法向应力与坐标轴正方向相同。一个??面上，如果剪切应力指向坐标轴正方向，则为正；反之，应力指向坐标轴负方向，则为??负。应力张量表达式为：??＾?ｘｘ?＾ｘｙ?＾?ｘｚ??ｒ，，?＾ｖｖ?Ｔｙｚ?（公式?２－３０）??法向应力引起材料拉伸变化，而剪切应力引起材料的切向畸变。根据平衡条件，体??积元上同一平面上两个剪切应力互相垂直，两个相对平行平面上法向应力大小相等、正??负号相同。由剪切应力互等原理可得：ｒｖ?＝?ｒｖ：ｌ．ｒｔ＿．?＝?ｇ，ｚ：ｗ＝％，因而，由六个应力分??量ｆ?＿＿，￣，Ｌｒ；）即可确定一个点应力状态。不考虑热应力与其它预应力情况下，??完全弹性体应力一应变关系一般形式及矩阵形式可以写成（公式２－３１?）及（公式２－３２）：??ａｘｘ?＝?＾?Ｉ＼￡ｘ?＋?＾１２＾１?＋?＾＼ｙ￡：?＋?＾?＼＾ｙｙｚ?＋?＾１５＾－ｒ?＋?＾?ｉｂ／ｘｙ??＝Ｃ２｛．ｒ?＋?Ｃ２２ｆ，．?＋?Ｃ２３ｆ：?＋?Ｃ２４；ｋ＇＇：?＋?Ｃ２５／：ｒ?＋?ｄ％／．”??？：＝Ｃ３丨？＋?＋?Ｃ３４／，：?＋。＇５，口?＋?Ｃ３６／．ｒ．ｖ?（公式?２?’?１）??ｒ．ｖｒ?＝?＋?Ｃ４２ｆｆｖ．?＋?Ｃ．４３ｆ：?＋?（．?“／ｐ?＋〔４５；＾?＋?（．４６广＇＇，??Ｔ－
出相髙压物性理论研宄??平均形成能可用于表征材料结构稳定性，计算所得三种二元析出相Ｙ－ＴｉＡｌ、ａ２－Ｔｉ３Ａｌ、??Ｄ０２２－Ａｌ３Ｔｉ平均形成能分别为－０．４５８４ｅＶ、－０．３６２３?ｅＶ、－０．４２３３?ｅＶ。三种二元析出相平均??形成能均为负值，满足能量稳定性。??本章计算所得丫－ＴｉＡｌ、Ｄ０２２＿Ａｌ３Ｔｉ、ａ２－Ｔｉ３Ａｌ三种二元析出相的弹性常数值明显满足??上述三个条件，说明丫－ＴｉＡｌ、Ｄ０２２－Ａｌ３Ｔｉ、ａ２－Ｔｉ３Ａｌ三种析出相在基态下满足力学稳定性。??从图３．１可以看出，丫－ＴｉＡｌ、Ｄ０２２－Ａｌ３Ｔｉ、ａ２－Ｔｉ３Ａｌ三种二元析出相的声子频率均在??ＯＴＨｚ以上，并无出现虚模，说明三种析出相在基态下满足动力学稳定性。??３．３．８长周期相基态稳定性??ｒ－Ａｌ２Ｔｉ、Ａｌ５Ｔｉ３为四方晶系，基态下力学稳定性判据与ｙ及Ｄ０２２相一致，如（公式??３－１）所示，正交晶系ｈ－Ａｌ２Ｔｉ基态下的力学稳定性条件如（公式３－３）所示：??卜?６，产＋。２２＋４本１２＋，１３?＋。』＞。，?式３＿３）??（Ｃ，，?＋?Ｃ２２?－?２Ｃ１２）?＞?０，?（Ｃ，，?＋?Ｃ３３?－?２Ｃ１３）?＞?０，?（Ｃ２２?＋?Ｃ３３?－?２Ｃ２３）?＞?０??根据各自弹性常数值可知，三种长周期析出相均满足各自力学稳定判据，说明??ｒ－Ａｌ２Ｔｉ、Ａｌ５Ｔｉ３、ｈ－Ａｌ２Ｔｉ金属间化合物在基态下是力学稳定的。??本章计算所得三种长周期析出相ｒ－Ａｌ２Ｔｉ、Ａｌ５Ｔｉ３、ｈ－Ａｌ２Ｔｉ平均形成能分别为??－０．４６６７ｅＶ、－０．４６５５ｅＶ、－０．４６３４ｅＶ均为负值，说明三种长周期析出相基态下满足能量稳??定性。??
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于第一性原理的高压下TiAl结构、力学性能及热力学性质研究（英文）[J]. 邓世杰,赵宇宏,文志勤,韩培德. Journal of Measurement Science and Instrumentation. 2017(02)
[2]Ti4Nb3Al9结构稳定性和弹性性质的第一性原理研究[J]. 杜宇雷,卢晓阳,欧园园,王顺. 徐州工程学院学报(自然科学版). 2017(01)
[3]Ti-Nb-Al体系相结构稳定性的第一原理计算[J]. 文韬,都昌兵,程党根. 热加工工艺. 2014(16)
[4]Structural and Thermodynamic Properties of TiAl intermetallics under High Pressure[J]. 李旭升,王海燕,历长云,米国发,胡前库. Communications in Theoretical Physics. 2012(01)
[5]α2-Ti-25Al-xNb合金力学性质的第一原理计算[J]. 曾宪波,彭平. 金属学报. 2009(09)
[6]锻造高铌双态TiAl合金的冷轧工艺及组织力学性能研究[J]. 王兴,林均品,张来启,王艳丽,林志,陈国良. 稀有金属材料与工程. 2009(08)
[7]TiAl基金属间化合物的发展[J]. 林均品,陈国良. 中国材料进展. 2009(01)
[8](α2+O+B2)三相Ti3Al基合金的微观组织与力学性能[J]. 曹京霞,许剑伟. 钛工业进展. 2008(05)
[9]γ-TiAl中Nb和Mo合金化效应的第一性原理研究[J]. 党宏丽,王崇愚,于涛. 物理学报. 2007(05)
[10]钇对Ti-23Al-25Nb合金热处理组织及性能的影响[J]. 陈玉勇,司玉锋,孔凡涛,陈子勇. 稀有金属材料与工程. 2006(04)
本文编号：3546607
本文链接：https://www.wllwen.com/shoufeilunwen/jckxbs/3546607.html