第一性原理计算Nb对TiAl合金抗氧化及摩擦磨损影响的研究
发布时间：2023-04-11 21:11
TiAl合金作为一种理想的高温结构材料具有低密度、高弹性模量以及良好的高温强度和抗蠕变能力,然而800℃以上抗氧化性不足是限制其实际应用的重要原因之一。高Nb合金化是提高TiAl合金抗氧化性最有效的途径之一。高Nb-TiAl合金抗氧化性能的大量实验研究提供了丰富的实验现象和数据,但对TiAl合金抗氧化性的基础理论性工作,例如O元素在TiAl合金中的扩散路径、Nb等合金元素对合金基体中O扩散及表面氧化物形成机理的研究都比较少。另一方面,耐磨性对于航空航天发动机热端零件也非常重要,TiAl表面的耐磨性不足已成为日益突出的问题。而针对TiAl合金耐磨性的研究工作不管从实验还是理论计算方面还比较欠缺。本论文工作的基本思路就是通过第一性原理计算,对TiAl合金中O元素的扩散进行研究,搞清楚O在TiAl合金中的扩散机制,并研究合金元素抗氧化的作用机制,并与已有实验数据进行对比。另一方面,通过实验对TiAl合金摩擦磨损性能进行研究,分析Nb对TiAl合金基体耐磨性的影响机制,同时利用第一性原理计算的方法对其力学性能进行分析。得到如下结论:(1)利用第一性原理计算及德拜模型,分别对Nb、Y、Sc、Zr...
【文章页数】：180 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
致谢
摘要
Abstract
1 引言
2 文献综述
2.1 TiAl金属间化合物合金概况
2.2 TiAl合金的抗氧化性研究
2.2.1 TiAl合金的初期氧化
2.2.2 TiAl合金的长期恒温氧化
2.2.3 TiAl合金的循环氧化
2.2.4 合金元素对TiAl合金氧化性能的影响
2.3 TiAl合金的摩擦磨损性能研究
2.3.1 提高耐磨性能的常用方法
2.3.2 影响合金摩擦磨损性能的主要因素
2.4 TiAl合金的模拟计算研究
2.4.1 占位计算
2.4.2 抗氧化性计算
2.4.3 扩散计算
2.5 研究内容及研究意义
2.5.1 研究内容
2.5.2 研究意义
3 第一性原理计算的研究方法
3.1 基于密度泛函理论的第一性原理计算
3.2 0K时的状态方程
3.3 高温下的热力学计算
3.3.1 振动贡献:Debye-Grunseisen模型
3.3.2 振动贡献:声子计算
3.3.3 热电子自由能
3.4 扩散计算
3.4.1 扩散原理
3.4.2 扩散过程中过渡态的计算(NEB)
3.4.3 爬坡弹性带方法(CINEB)
3.4.4 计算间隙扩散
3.4.5 热力学和动力学模拟计算
4 Nb等合金元素在TiAl合金中的占位稳定性
4.1 计算方法
4.1.1 第一原理计算的基本设定
4.1.2 不同TiAl结构相的模型的比较
4.2 验证计算的准确性
4.2.1 γ-TiAl相的晶格结构常数
4.2.2 合金元素对晶格常数、体积、体弹模量的影响
4.2.3 测试TiAl合金的热力学性能
4.3 在0K温度时合金元素在γ-TiAl相中的占位稳定性
4.3.1 形成焓
4.3.2 以纯元素和XAl和XTi作为参考态的反应生成能
4.3.3 以Ti3Al、Al3Ti、合金元素X作为参考态的反应生成能
4.4 在高温情况下的占位趋势
4.5 本章小结
5 Nb对γ-TiAl合金中O扩散的影响
5.1 研究方法
5.2 O在γ-TiAl相中的占位稳定性
5.3 O在γ-TiAl相中的扩散
5.3.1 使用CI-NEB计算γ-TiAl相中O的扩散
5.3.2 γ-TiAl相中O的扩散势垒
5.4 Nb对-γTiAl相中O的扩散势垒的影响
5.5 Nb元素对γ-TiAl相中O的扩散系数的影响
5.6 本章小结
6 Nb对α2-Ti3Al相中O扩散的影响
6.1 研究方法
6.2 氧在Ti3Al相中的占位稳定性
6.3 氧在Ti3Al相中的扩散
6.3.1 Ti3Al相中O的扩散
6.3.2 Ti3Al相中O的扩散势垒
6.4 Nb元素对氧在Ti3Al中的扩散势垒的影响
6.5 Nb元素对氧在Ti3Al相中的扩散系数的影响
6.5.1 Ti3Al相中O的扩散系数
6.5.2 Nb对Ti3Al相中O的扩散系数的影响
6.6 本章小结
7 Nb等合金元素对Al2O3和TiO2氧化膜生长的影响
7.1 计算模型和计算方法
7.2 Nb等合金元素对Al-O、Ti-O键合强度的影响
7.3 氧化物Al2O3、TiO2、Nb2O5的熔点和生成焓
7.4 本章小结
8 Nb对TiAl合金摩擦磨损性能的影响
8.1 实验方法
8.1.1 样品制备和表征
8.1.2 磨损装置和试验
8.2 高Nb-TiAl合金的摩擦磨损性能
8.2.1 摩擦和磨损行为
8.2.2 摩擦和磨损轨迹形态
8.3 高Nb-TiAl合金摩擦磨损的机理和影响因素
8.4 Nb对TiAl合金的摩擦磨损性能的影响机理
8.4.1 Nb对TiAl合金摩擦系数的影响
8.4.2 Nb对TiAl合金耐磨性影响的机理研究
8.5 本章小结
9 结论、创新点和展望
9.1 结论
9.2 创新点
9.3 展望
参考文献
作者简历及在学研究成果
学位论文数据集
本文编号：3789757
【文章页数】：180 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
致谢
摘要
Abstract
1 引言
2 文献综述
2.1 TiAl金属间化合物合金概况
2.2 TiAl合金的抗氧化性研究
2.2.1 TiAl合金的初期氧化
2.2.2 TiAl合金的长期恒温氧化
2.2.3 TiAl合金的循环氧化
2.2.4 合金元素对TiAl合金氧化性能的影响
2.3 TiAl合金的摩擦磨损性能研究
2.3.1 提高耐磨性能的常用方法
2.3.2 影响合金摩擦磨损性能的主要因素
2.4 TiAl合金的模拟计算研究
2.4.1 占位计算
2.4.2 抗氧化性计算
2.4.3 扩散计算
2.5 研究内容及研究意义
2.5.1 研究内容
2.5.2 研究意义
3 第一性原理计算的研究方法
3.1 基于密度泛函理论的第一性原理计算
3.2 0K时的状态方程
3.3 高温下的热力学计算
3.3.1 振动贡献:Debye-Grunseisen模型
3.3.2 振动贡献:声子计算
3.3.3 热电子自由能
3.4 扩散计算
3.4.1 扩散原理
3.4.2 扩散过程中过渡态的计算(NEB)
3.4.3 爬坡弹性带方法(CINEB)
3.4.4 计算间隙扩散
3.4.5 热力学和动力学模拟计算
4 Nb等合金元素在TiAl合金中的占位稳定性
4.1 计算方法
4.1.1 第一原理计算的基本设定
4.1.2 不同TiAl结构相的模型的比较
4.2 验证计算的准确性
4.2.1 γ-TiAl相的晶格结构常数
4.2.2 合金元素对晶格常数、体积、体弹模量的影响
4.2.3 测试TiAl合金的热力学性能
4.3 在0K温度时合金元素在γ-TiAl相中的占位稳定性
4.3.1 形成焓
4.3.2 以纯元素和XAl和XTi作为参考态的反应生成能
4.3.3 以Ti3Al、Al3Ti、合金元素X作为参考态的反应生成能
4.4 在高温情况下的占位趋势
4.5 本章小结
5 Nb对γ-TiAl合金中O扩散的影响
5.1 研究方法
5.2 O在γ-TiAl相中的占位稳定性
5.3 O在γ-TiAl相中的扩散
5.3.1 使用CI-NEB计算γ-TiAl相中O的扩散
5.3.2 γ-TiAl相中O的扩散势垒
5.4 Nb对-γTiAl相中O的扩散势垒的影响
5.5 Nb元素对γ-TiAl相中O的扩散系数的影响
5.6 本章小结
6 Nb对α2-Ti3Al相中O扩散的影响
6.1 研究方法
6.2 氧在Ti3Al相中的占位稳定性
6.3 氧在Ti3Al相中的扩散
6.3.1 Ti3Al相中O的扩散
6.3.2 Ti3Al相中O的扩散势垒
6.4 Nb元素对氧在Ti3Al中的扩散势垒的影响
6.5 Nb元素对氧在Ti3Al相中的扩散系数的影响
6.5.1 Ti3Al相中O的扩散系数
6.5.2 Nb对Ti3Al相中O的扩散系数的影响
6.6 本章小结
7 Nb等合金元素对Al2O3和TiO2氧化膜生长的影响
7.1 计算模型和计算方法
7.2 Nb等合金元素对Al-O、Ti-O键合强度的影响
7.3 氧化物Al2O3、TiO2、Nb2O5的熔点和生成焓
7.4 本章小结
8 Nb对TiAl合金摩擦磨损性能的影响
8.1 实验方法
8.1.1 样品制备和表征
8.1.2 磨损装置和试验
8.2 高Nb-TiAl合金的摩擦磨损性能
8.2.1 摩擦和磨损行为
8.2.2 摩擦和磨损轨迹形态
8.3 高Nb-TiAl合金摩擦磨损的机理和影响因素
8.4 Nb对TiAl合金的摩擦磨损性能的影响机理
8.4.1 Nb对TiAl合金摩擦系数的影响
8.4.2 Nb对TiAl合金耐磨性影响的机理研究
8.5 本章小结
9 结论、创新点和展望
9.1 结论
9.2 创新点
9.3 展望
参考文献
作者简历及在学研究成果
学位论文数据集
本文编号：3789757
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