第一性原理研究过渡金属元素对钯基合金力学、热力学性质的影响

发布时间：2020-03-21 22:08

【摘要】：贵金属高温合金之所以能够作为镍基高温合金的良好替代材料,是因为铂族合金(PGMs)具有和镍基高温合金相同的面心立方结构,铂族合金的熔点比目前使用的镍基合金的熔点高,也具有较高稳定性。但是目前的研究主要集中在Pt、Ir和Rh基贵金属高温合金,这三种贵金属价格昂贵,密度大,且储量少。钯也是一种铂族金属,钯的价格和密度都相对较低,目前对Pd基合金关注不足,主要是因为纯Pd的力学性能较差,本论文拟通过向Pd合金中加入难熔过渡金属(Al,Si,Sc,Ti,V,Cr,Mn,Fe,Cu,Zn,Y,Zr,Nb,Mo,Tc,Hf,Ta,W,R,Os,Pt)形成固溶强化来提高钯基二元合金的力学性能。通过第一性原理计算Pd-TM系二元金属间化合物和Pd_(3 1)TM固溶体的晶体结构、力学性能和热学性质等,并进行对比分析,完成合金元素的筛选过程。采用该方法一定程度上可以缩短研发周期,降低成本,节约稀贵金属原材料。进一步丰富贵金属高温合金基础理论研究,推动新型贵金属高温合金的开发与应用。为研究贵金属高温合金提供理论和数据支持。本论文主要获得的研究结果如下:Pd-TM(TM=Ti,Zr,Hf)和Pd_xV_y系二元金属间化合物和Pd_(3 1)TM(TM=Ti,Zr,Hf)固溶体的结合能和形成焓均为负值,表明它们都是热力学稳定的;计算的弹性常数、弹性模量等,都满足力学稳定性判定条件,说明这些材料是结构稳定的。结果表明Pd Ti具有最大的C_(11)值,G和E值,其数值分别为204.8 GPa,36.9 GPa和103.2 GPa。由于单晶材料微裂纹产生和扩展与材料的力学各向异性有关,本论文还研究了它们的力学各向异性。本论文研究B2型Pd TM(TM=Ti,Zr,Hf)的力学各向异性大小排序为:Pd HfPd ZrPd Ti。通过分析这些材料的态密度、差分电荷密度等来研究它们的物理本质,如化学键特性等。发现这些化合物都具有金属特性。通过研究Pd与Ti,Zr和Hf的二元合金和固溶体发现固溶强化更能提高钯基合金的力学性能。研究Pd_xV_y系二元金属间化合物时发现?-Pd_2V的生成焓是最低的,值为-0.34 e V/atom,即?-Pd_2V在所有Pd_xV_y系合金中是最稳定的。计算它们的力学模量发现,?-Pd_3V的C_(11)和C_(3 3)值是最大的分别为508.4.7 GPa和624.1 GPa。根据上述的工作,研究21种过渡元素与Pd形成的固溶体Pd_(3 1)TM(Al,Si,Sc,Ti,V,Cr,Mn,Fe,Cu,Zn,Y,Zr,Nb,Mo,Tc,Hf,Ta,W,R,Os,Pt)的热力学和力学性质。结果表明(35)H均为小于0,表明它们都是稳定的;过渡合金元素的加入使钯基固溶体这些固溶体的力学性能明显提高。还研究了它们的力学各向异性,发现它们都是各向异性的,各向异性的排序为:Pd_(3 1)PtPd_(31)Al(Pd_(31)Cu)Pd_(31)MnPd_(31)SiPd_(31)Zn(Pd_(31)Y)Pd_(31)VPd_(31)Sc(Pd_(31)Cr)Pd_(31)TaPd_(31)Nb(Pd_(31)Mn,Pd_(31)W)Pd_(31)Tc(Pd_(31)Re)Pd_(31)OsPd_(31)TiPd_(31)HfPd_(31)ZrPd_(31)Fe。因此我们可以推测过渡元素能够有效地提高贵金属钯基合金的高温力学性能等。
【图文】：

铂族金属,抗拉强度

图 1.1 铂族金属的抗拉强度与温度的关系e relationship between the tensile strength of platinutemperature17]研究 Pt-Al 和 Pt-Ti 合金中加入 Ru、Re、N金的抗蠕变性能明显提高。M. Wenderoth 等和 W 等造成 γ’相沉淀强化，使其力学性能达合金的中加入 Ir、Nb、Al 三种元素，形成四较大的基质相和沉淀相，故随着 Ir 原子分数的 Yamabe-Mitarai[20-21]研究 Pt-Ni-Ir 合金，发现作用大于铂，这是由于由于铱和铂形成的晶格a[53]等在研究酸性材料时发现，铂是乙醇氧化于其具有优良的催化活性和稳定性。Pan.Y[5硼化物的影响，发现合金元素可以改善二元硼

铂族金属,高温氧化,失重

图 1.2 铂族金属的高温氧化失重Fig. 1.2 Material loss of platinum-group-meta，铂族金属的高温氧化失重仅次于陶瓷，且、钌和陶瓷（如图 1.2）Huang. C 等[24]研究Ta 和 Ti)形成三元合金，主要研究其蠕变性素 X 明显提高了 Ir-Nb 合金的抗蠕变能力、137 MPa 环境中的 Ir-Nb 和 Ir-Zr 合金，金。周世平等[25]研究 Pd-Ag-Cu 三元合金研究发现 Pd 合金中加入稀土元素后，明显模量、塑性以及高温瞬时速度等性能。的目的与意义衡量国家经济发展和国防建设的标杆之一，，
【学位授予单位】：昆明理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG132.3

【参考文献】