第一性原理研究压力对TiAl合金及TinAXn-1结构、力学及热力学性质的影响

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钛铝合金,因为其具有特有的钛铝合金是银白色的金属,它具有许多优良性能,广泛应用于航空、航天等领域。而TiAl合金是一种新兴的金属化合物结构材料。TiAl合金具有密度低、高的比强度和比弹性模量,高温时仍可保持足够高的强度和刚度,同时具有良好的抗蠕变及抗氧化能力等突出特点。这使其成为航天、航空及汽车用发动机耐热结构件极具竞争力的材料。其次MAX相材料具有金属与陶瓷的双重特性也备受关注。本文采用第一性原理方法,研究了TiAl合金以及MAX相材料中的Ti2AlC、Ti2AlN、Ti2Ga C、Ti2InC、Ti3AlC2及Ti3SiC2的相关性质,包括晶格参数、力学性质以及热力学性质,期间施加0-50GPa的压力,结果如下:Ti Al中掺杂Cr,Mn,Fe和Co金属元素,优先占据体系中的Al位。随掺杂金属元素原子序数的增加和掺杂浓度的降低,体系的轴比呈上升趋势,利于增加体系的延展性。浓度对Co元素掺杂体系轴比影响较小,浓度的增加,利于Co力学性能的提升。分析Co元素掺杂后的电子结构,发现掺杂Co元素后体系费米能级处态密度明显提升,利于抑制合金脆性,且随浓度的增加,抑制能力加强,改善了材料的室温塑性。随着压力的增大,Ti2AlX(X=C,N)体积比下降,压力对Ti2AlC影响较Ti2AlN大,压力可以增强材料抵抗变形能力,材料的延性得到提升,Ti2AlN抵抗变形能力强于Ti2AlC,当压力超过40 GPa后,Ti2AlX材料由脆性转变为延性。体模量随温度的升高而降低,但随压力的增大而增大。定容热容CV与定压热容CP变化关系相同,高温下CV增加缓慢,且遵循Dulong-Petit极限,Ti2AlC的定容热容CV在高温下高于Ti2Al N。温度与压力对线膨胀系数的影响主要发生在低温下,压力超过30 GPa后,压力对线膨胀系数影响较小。随着外加压力的增加,Ti2InC压缩性比Ti2GaC好。Ti2GaC与Ti2In C抵抗变形能力与延性均随压力的增加而增加,且当压力达到40-50GPa时,Ti2GaC与Ti2InC由脆性材料转变为延性材料,延展性得到提升。德拜温度与体模量变化关系相同,随温度的上升而降低,压力其影响作用与温度相反。对于热容,压力对其影响较小,Ti2In C热容值高于Ti2GaC,等容热容受Dulong-Petit limit限制,在高温下不再增长,而等压热容相反。随着压力的增大,Ti3AC2(A=Al,Si)体积比下降,压力对Ti3AlC2影响较Ti3SiC2大。Ti3AC2(A=Al,Si)抗变形能力随外加压力的增加而增加,当压力增大到40GPa以后,材料由脆性材料转变为延性材料,其延展性得到提升,体模量随温度的升高而降低,但随压力的增大而增大。高温下CV增加缓慢遵循Dulong-Petit极限,Ti3AlC2的定容热容CV在高温下高于Ti3SiC2。温度与压力对线膨胀系数的影响主要发生在低温下,压力超过30 GPa后,压力对线膨胀系数影响较小。
摘要第4-6页
abstract第6-7页
第1章 绪论第12-17页
    1.1 钛-铝合金概述第12页
    1.2 MAX相合金概述第12页
    1.3 各材料简述第12-13页
        (1)TiAl合金第12页
        (2)M_(n+1)AX_n相合金第12-13页
    1.4 课题国内外研究现状第13-14页
        1.4.1 TiAl合金第13页
        1.4.2 Ti_nAX_(n-1)合金第13-14页
    1.5 课题研究意义第14-15页
    1.6 课题研究内容第15-17页
第2章 第一性原理简介第17-21页
    2.1 密度泛函理论第17页
    2.2 近似方法第17-19页
        2.2.1 非相对论近似第17-18页
        2.2.2 绝热近似(Born-Oppenheimer近似)第18页
        2.2.3 单电子近似(Hartree-Fock近似)第18-19页
        2.2.4 周期场近似第19页
    2.3 赝势第19页
    2.4 计算软件第19-21页
第3章 TiAl合金结构、力学及热力学性质的研究第21-28页
    3.1 计算方法与模型第21页
        3.1.1 计算方法第21页
        3.1.2 计算模型第21页
    3.2 计算结果与分析第21-27页
        3.2.1 晶体结构第21-23页
        3.2.2 力学性质第23页
        3.2.3 热力学性质第23-27页
    3.3 本章小结第27-28页
第4章 元素掺杂对TiAl合金力学及电子结构的研究第28-36页
    4.1 计算方法与模型第28页
        4.1.1 计算方法第28页
        4.1.2 计算模型第28页
    4.2 计算结果与分析第28-35页
        4.2.1 择优占位第28-30页
        4.2.2 轴比与延性第30-31页
        4.2.3 力学性质第31-33页
        4.2.4 电子结构第33-35页
    4.3 本章小结第35-36页
第5章 高压下Ti_2AlX(X=C,N)结构、力学性能及热力学性质的研究第36-45页
    5.1 计算方法与模型第36-37页
        5.1.1 计算方法第36页
        5.1.2 计算模型第36-37页
    5.2 计算结果与分析第37-43页
        5.2.1 晶体结构第37-38页
        5.2.2 力学性质第38-41页
        5.2.3 热力学性质第41-43页
    5.3 本章小结第43-45页
第6章 高压下Ti_2AC(A=Ga,In)结构、力学性能及热力学性质的研究第45-52页
    6.1 计算方法与模型第45-46页
        6.1.1 计算方法第45-46页
    6.2 计算结果与分析第46-51页
        6.2.1 晶体结构第46页
        6.2.2 力学性质第46-48页
        6.2.3 热力学性质第48-51页
    6.3 本章小结第51-52页
第7章 高压下Ti_3AC_2(A=Al,Si)结构、力学性能及热力学性质的研究第52-60页
    7.1 计算方法与模型第52页
        7.1.1 计算方法第52页
        7.1.2 计算模型第52页
    7.2 计算结果与分析第52-58页
        7.2.1 晶体结构第52-54页
        7.2.2 力学性质第54-55页
        7.2.3 热力学性质第55-58页
    7.3 本章小结第58-60页
结论第60-62页
参考文献第62-68页
攻读硕士学位期间发表的论文及所取得的研究成果第68-69页
致谢第69-70页
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