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多元合金化对钛铝合金高温抗氧化性能的研究

作　者: 李丹
导　师: 张国英
学　校: 沈阳师范大学
专　业: 材料物理与化学
关键词: 第一原理计算 γ-TiAl合金抗氧化性空位形成能表面吸附
分类号: TG132.32
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

γ-TiAl合会与传统钛合金和高温合金相比具有密度低、抗蠕变性能好、比强度和比模量高等优点,使用温度达750-900℃,因此最有希望作为航空发动机高温部件材料。但其高温抗氧化能力不足限制了其作为高温结构材料的应用。为进一步提高钛铝合金高温抗氧化性能和抗腐蚀性能,本文利用Materials Studio软件中基于密度泛函理论的赝势平面波方法(CASTEP)模块对研究多种元素同时掺杂对γ-TiAl高温氧化的影响进行研究,发现：1)添加合金元素能够降低Al的空位形成能,增大Ti的空位形成能,促进Al向表面扩散。合金元素使得Ti与其他原子的相互作用增强,而减弱了Al与其他原子的相互作用,也促进A1向表面扩散。A1向表面扩散形成A1203致密氧化膜,提高了γ-TiAl合金的抗氧化性。2)γ-TiAl氧化时同时存在着内外氧化。合金元素添加降低了γ-TiAl中O离子浓度,从而降低了内氧化的速度。掺杂合金元素能够增强O与Ti、A1及其它合金元素问相互作用,在一定程度上阻碍氧的扩散,降低了γ-TiAl合金内氧化速度,提高了γ-TiAl得抗氧化性。3)氧于γ-TiAl基合金表面的表面吸附是化学吸附,在Nb与Si共同掺杂时,使吸附更容易发生。γ-TiAl合金的表面氧与Al和Ti间同时存在共价和离子键作用。吸附氧与Al的共价相互作用比与Ti的强,但Al的离子键作用弱,但总的作用差别并不大,这就使得TiAl金属间化合物氧化时,能够同时生成Ti02和A1203。同时Si直接与氧发生氧化生成的Si02与A1203层一起阻碍内氧化的进行。№、Si共同掺杂时,Nb主要在基体中起作用,Si主要在表面起作用,两种作用可以叠加,即Nb、Si共同掺杂比单独添加使γ-TiAl合金具有更高的抗氧化性能。

全文目录

中文摘要  4-5
Abstract  5-7
目录  7-9
第一章引言  9-16
  一、钛铝合金简介  9-12
    (一) 钛铝合金的特性  9-10
    (二) 钛铝合金的应用  10-12
  二、γ-TiAl合金高温氧化研究进展  12-14
    (一) γ-TiAl基合金的高温氧化  12
    (二) 合金元素对γ-TiAl合金高温氧化的影响  12-13
    (三) 表面改性  13-14
    (四) γ-TiAl合金高温氧化机理的理论研究  14
  三、选题意义及研究内容  14-16
第二章密度泛函理论  16-23
  一、Hohenberg-Kohn理论  16-17
  二、Kohn-Sham方程  17-18
  三、局域密度近似(LDA)  18-20
  四、广义梯度近似(GGA)  20-21
  五、赝势  21-22
  六、基于密度泛函理论的CASTEP模块  22-23
第三章多元合金化对γ-TiAl合金氧化膜生长影响  23-30
  一、计算方法及模型  23-24
  二、结果及分析  24-28
    (一) 多元合金化对γ-TiAl合金氧化膜生长的影响  24-26
    (二) 氧在间隙掺杂,合金元素对其扩散的影响  26-28
  三、小结论  28-30
第四章合金元素对钛铝合金表面氧吸附影响机理研究  30-37
  一、计算方法及模型  30-31
  二、结果及分析  31-35
    (一) 氧表面吸附与氧化物形核  31-32
    (二) γ-TiAl(111)/O吸附前后体系电子结构  32-34
    (三) 表面原子结构电荷布局分析  34-35
  三、小结论  35-37
结论  37-38
参考文献  38-41
个人简历  41-42
致谢  42

多元合金化对钛铝合金高温抗氧化性能的研究

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