镍铝多熵合金的结构及物理性能的第一性原理研究

发布时间：2020-07-13 06:01

【摘要】：镍基高温合金因具有优异的力学性能、抗氧化和蠕变等性能,被广泛应用于制造航空发动机的热端部件;中高熵合金因具有高硬度、高强度、良好的耐腐蚀性能等优点,在诸多领域有潜在应用的价值。目前,对镍铝多熵合金的研究主要是合金的设计与制备、组织结构和力学性能的实验研究,然而这些研究侧重于宏观尺度。实验急需电子-原子尺度予以解释其主导力学性能的机制及热力学性能随温度的依赖关系。因此,有必要在纳观尺度下进一步研究镍铝多熵合金的结构和物理性能。本论文采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究镍铝二元三元有序金属间化合物的结构和弹性力学性能;研究镍铝二元、四元和五元无序固溶体合金的结构、稳定性和弹性力学性质;并结合热力学德拜模型研究有序/无序合金在有限温度下的热力学性质。从电子-原子尺度解释镍铝多熵合金力学性能主导机制和热力学响应规律,为设计新型镍基高温合金和中高熵合金提供理论指导,为材料基因组计划添砖加瓦。主要内容如下:(1)研究压力对镍铝二元有序金属间化合物Ni_3Al、Ni_5Al_3、NiAl、Ni_2Al_3和NiAl_3的结构、弹性力学、热力学等性质的影响。五种Ni-Al金属间化合物在0~50GPa都是力学稳定的。适当增大压力和Ni含量能提高镍铝合金的抗体积变形能力。Ni_3Al、Ni_5Al_3和NiAl的延展性随压力增大而增大;Ni_5Al_3、NiAl和Ni_2Al_3的显微硬度却随压力的增大而增大;五种化合物的各向异性也随压力增大而增大。同一温度下,五种化合物的体模量、德拜温度随压力的升高而增大,而线性热膨胀系数、热容则随压力升高而降低。并从电子结构的角度解释其稳定性和物理本质。(2)研究顺磁性Heusler化合物Ni_2XAl(X=Sc,Ti,V)形成焓、弹性性质和热力学等性质,考察不同压力对其性能的影响。顺磁Ni_2XAl在0~50GPa内是力学稳定的,并且表现为延展性和各向异性。它们的弹性模量、显微硬度及延展性都会随压力的增大而增大。压力对弹性模量和显微硬度的影响随着原子序数X(Sc,Ti,V)的增大而降低,而对延展性和各向异性的影响则随原子序数X增大而增大。Ni_2XAl的抗体积变形能力和导热系数随温度升高而降低,而定压热容和热膨胀系数则随温度的升高而增大;但压力对这些热力学性质的影响与温度相反。并从价电子轨道贡献和原子成键的角度洞悉其物理本质。(3)考察铁磁性Heusler化合物Ni_2XAl(X=Co,Cr,Fe)的结构、稳定性、磁性、四方形变、热力学和电子结构等性质。立方的Ni_2CrAl在0GPa时,是力学稳定的,而立方的Ni_2FeAl和Ni_2CoAl是力学不稳定的。Ni_2CrAl不具有形状记忆效应,其在L2_1相是最稳定的,但适当调整其化学式比例,可能会使其会发生马氏体相变。Ni_2FeAl和Ni_2CoAl在适当的温度和磁场下能发生马氏体相变,具有形状记忆效应。随着X原子的原子序数增大,铁磁Ni_2XAl的体积、德拜温度和热膨胀系数随之降低,而定容热容则随之增大。并分析其电子态密度,阐明Ni_2FeAl和Ni_2CoAl发生相变的物理本质。(4)研究无序的BCC和FCC Ni_(1-x)Al_x(x=0.25,0.50,0.75)二元低熵合金的稳定性、弹性力学和热力学等性能,并将其与有序的L2_1 Ni_3Al和B2 NiAl相进行比较。Ni_(1-x)Al_x是动力学稳定的,且FCC Ni_(1-x)Al_x比BCC Ni_(1-x)Al_x更稳定,其在转变成有序相时,最有可能析出L2_1 Ni_3Al相。Ni_(1-x)Al_x的抗体积、抗剪切和抗弹性变形都随Al原子含量增大而降低。Al原子含量越高,Ni_(1-x)Al_x的晶格常数和热膨胀系数则越大,但其体模量、定容热容则会降低。无序的Ni_(1-x)Al_x的热膨胀系数、振动热容和振动熵要大于有序的L2_1Ni_3Al和B2 NiAl相。并分析其态密度,阐明Ni_(1-x)Al_x稳定性、力学和热力学性能变化的根本原因。(5)运用特定准随机结构的方法构建无序的AlCrFeNi中熵合金,考查不同晶体结构(BCC和FCC)、不同磁性(铁磁FM和非磁NM)对其稳定性、弹性力学和热力学等性能的影响。FM BCC AlCrFeNi是最稳定的,且具有最大的各向异性。FM AlCrFeNi比NM AlCrFeNi更稳定,但后者的抗体积、抗剪切和抗弹性变形能力比前者强。在0~1200K内,FM BCC AlCrFeNi具有最大的定容热容和振动熵,而其德拜温度是最低的。AlCrFeNi的电子熵也非常依赖其晶体结构和磁性,其对总熵的贡献虽较小,但是不可忽略的。并分析其电子结构,揭示不同结构和磁性对AlCrFeNi物理性能的影响。(6)研究AlCoCrFeNi高熵合金的形成规律、相稳定性、弹性力学、热力学等性能,并将其与AlCrFeNi中熵合金进行比较。AlCoCrFeNi的形成焓比AlCrFeNi更低,熵和亥姆霍兹自由能比AlCrFeNi低,抗体积、抗剪切和抗弹性变形能力均比AlCrFeNi强,各向异性比AlCrFeNi的各向异性小,这阐明Co元素添加有利于提高合金的稳定性、弹性力学性能,降低合金的各向异性。AlCoCrFeNi高熵合金的晶格常数、热膨胀系数、定容热容、电子热容、熵、振动熵和电子熵都随温度升高而增大,而其亥姆霍兹自由能、振动自由能和电子自由能则随温度升高而降低。最后,研究其电子结构解释其成键情况和物理起源。
【学位授予单位】：中北大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TG139;V252
【图文】：

图 1.1 镍基高温合金在航空发动机上的应用 1.1 Application of nickel-based superalloy in aeroe量计算提供必要的输入参数[6]。中高熵合机匣

图 1.4 NiAl <100> 1 10 和<111> 滑移系统在不同温度下的广义堆垛层错能曲线Fig. 1.4 Generalized stacking fault energy curves for <100> and <100> slip systemdifferent temperature of NiAl[36]

图 1.5 Ni3Al、NiAl 的理想拉伸强度及 NiAl 拉伸强度失效的物理本质[38]The ideal tensile strength of Ni3Al, NiAl, and the physical nature of NiAl tensile strengt本论文仅研究了立方晶体，而二元的有序金属间化合物 Ni5Al3、Ni2Al3

本文编号：2753064