Nb-Si基合金抗氧化性能的第一性原理研究

发布时间：2018-04-15 17:47

  本文选题：Nb-Si基合金 + Al掺杂　； 参考：《西南石油大学》2017年硕士论文

【摘要】：Nb-Si基合金有着优异的性能,其目标使用温度在700℃～1400℃,比传统镍基合金的使用温度要高200℃～300℃,具有典型的高熔点、低密度、比强度高等突出优点,是更适合在新型航空航天结构件中使用的高温备选材料。但是,在高温条件下,环境十分恶劣,材料及其容易发生氧化,从而造成材料的断裂,对Nb-Si基合金的工作寿命和安全性能造成严重的影响。因此,对Nb-Si基合金抗氧化性能的研究迫在眉睫。与其他常用Nb-Si基合金相比,Nb_3Si硅化物的Si含量特别低,在高温下的抗氧化性能极差,从而会导致复合材料的强度降低。因此,本文以Nb_3Si合金为研究对象,采用以密度泛函理论为基础的第一性原理为理论指导,从理论的角度研究其不同晶面上的抗氧化行为,并得到以下结论:通过计算分析基态以及高压下Nb_3Si合金的Pm-3m以及Pm-3n两种面心立方结构的形成焓,发现Pm-3n面心立方结构更为稳定。此外,通过计算两种面心立方结构的布居数、态密度以及能带结构,发现Si的3p轨道和Nb的4d轨道构成了 Nb_3Si中的成键区。Pm-3m型面心结构形成了极易被破坏的Nb-Nb反键态,使成键电子数减少,稳定性降低。通过对Nb_3Si(110)、(100)、(111)三种晶面上吸附能、态密度以及能带结构等方面的分析计算发现,三种晶面上的反应都是放热反应,且吸附系统都是处于稳定状态。其中,Nb_3Si(100)晶面的原子密度最大,该面上任一个原子与其相邻晶面原子作用的键数目最少,所以晶面处于最低自由能状态,氧与Nb_3Si(100)晶面的相互作用最强,吸附系统最稳定。此外,通过对三种晶面在在氧吸附之后的重叠布居数进行分析计算,在Nb_3Si(100)晶面上,吸附之后的布居数有所增加,体系的稳定性增强。通过Al元素的掺杂分析了 Nb_3Si(100)晶面的抗氧化性能,结果发现,掺杂后体系的吸附系统处于稳定状态,同时,O原子更倾向于与Al原子形成更强的键,体系形成的O-Al键十分稳定,不容易破坏,说明A1元素有效地阻挡了体系整体与O原子之间的相互作用,抗氧化性能增强。
[Abstract]:The Nb-Si alloy has excellent properties, and its target use temperature is 700 鈩，

本文编号：1755141