【摘要】：鎳基高溫合金因具有優(yōu)異的力學性能、抗氧化和蠕變等性能,被廣泛應用于制造航空發(fā)動機的熱端部件;中高熵合金因具有高硬度、高強度、良好的耐腐蝕性能等優(yōu)點,在諸多領(lǐng)域有潛在應用的價值。目前,對鎳鋁多熵合金的研究主要是合金的設計與制備、組織結(jié)構(gòu)和力學性能的實驗研究,然而這些研究側(cè)重于宏觀尺度。實驗急需電子-原子尺度予以解釋其主導力學性能的機制及熱力學性能隨溫度的依賴關(guān)系。因此,有必要在納觀尺度下進一步研究鎳鋁多熵合金的結(jié)構(gòu)和物理性能。本論文采用基于密度泛函理論的第一性原理方法,研究鎳鋁二元三元有序金屬間化合物的結(jié)構(gòu)和彈性力學性能;研究鎳鋁二元、四元和五元無序固溶體合金的結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性和彈性力學性質(zhì);并結(jié)合熱力學德拜模型研究有序/無序合金在有限溫度下的熱力學性質(zhì)。從電子-原子尺度解釋鎳鋁多熵合金力學性能主導機制和熱力學響應規(guī)律,為設計新型鎳基高溫合金和中高熵合金提供理論指導,為材料基因組計劃添磚加瓦。主要內(nèi)容如下:(1)研究壓力對鎳鋁二元有序金屬間化合物Ni_3Al、Ni_5Al_3、NiAl、Ni_2Al_3和NiAl_3的結(jié)構(gòu)、彈性力學、熱力學等性質(zhì)的影響。五種Ni-Al金屬間化合物在0~50GPa都是力學穩(wěn)定的。適當增大壓力和Ni含量能提高鎳鋁合金的抗體積變形能力。Ni_3Al、Ni_5Al_3和NiAl的延展性隨壓力增大而增大;Ni_5Al_3、NiAl和Ni_2Al_3的顯微硬度卻隨壓力的增大而增大;五種化合物的各向異性也隨壓力增大而增大。同一溫度下,五種化合物的體模量、德拜溫度隨壓力的升高而增大,而線性熱膨脹系數(shù)、熱容則隨壓力升高而降低。并從電子結(jié)構(gòu)的角度解釋其穩(wěn)定性和物理本質(zhì)。(2)研究順磁性Heusler化合物Ni_2XAl(X=Sc,Ti,V)形成焓、彈性性質(zhì)和熱力學等性質(zhì),考察不同壓力對其性能的影響。順磁Ni_2XAl在0~50GPa內(nèi)是力學穩(wěn)定的,并且表現(xiàn)為延展性和各向異性。它們的彈性模量、顯微硬度及延展性都會隨壓力的增大而增大。壓力對彈性模量和顯微硬度的影響隨著原子序數(shù)X(Sc,Ti,V)的增大而降低,而對延展性和各向異性的影響則隨原子序數(shù)X增大而增大。Ni_2XAl的抗體積變形能力和導熱系數(shù)隨溫度升高而降低,而定壓熱容和熱膨脹系數(shù)則隨溫度的升高而增大;但壓力對這些熱力學性質(zhì)的影響與溫度相反。并從價電子軌道貢獻和原子成鍵的角度洞悉其物理本質(zhì)。(3)考察鐵磁性Heusler化合物Ni_2XAl(X=Co,Cr,Fe)的結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性、磁性、四方形變、熱力學和電子結(jié)構(gòu)等性質(zhì)。立方的Ni_2CrAl在0GPa時,是力學穩(wěn)定的,而立方的Ni_2FeAl和Ni_2CoAl是力學不穩(wěn)定的。Ni_2CrAl不具有形狀記憶效應,其在L2_1相是最穩(wěn)定的,但適當調(diào)整其化學式比例,可能會使其會發(fā)生馬氏體相變。Ni_2FeAl和Ni_2CoAl在適當?shù)臏囟群痛艌鱿履馨l(fā)生馬氏體相變,具有形狀記憶效應。隨著X原子的原子序數(shù)增大,鐵磁Ni_2XAl的體積、德拜溫度和熱膨脹系數(shù)隨之降低,而定容熱容則隨之增大。并分析其電子態(tài)密度,闡明Ni_2FeAl和Ni_2CoAl發(fā)生相變的物理本質(zhì)。(4)研究無序的BCC和FCC Ni_(1-x)Al_x(x=0.25,0.50,0.75)二元低熵合金的穩(wěn)定性、彈性力學和熱力學等性能,并將其與有序的L2_1 Ni_3Al和B2 NiAl相進行比較。Ni_(1-x)Al_x是動力學穩(wěn)定的,且FCC Ni_(1-x)Al_x比BCC Ni_(1-x)Al_x更穩(wěn)定,其在轉(zhuǎn)變成有序相時,最有可能析出L2_1 Ni_3Al相。Ni_(1-x)Al_x的抗體積、抗剪切和抗彈性變形都隨Al原子含量增大而降低。Al原子含量越高,Ni_(1-x)Al_x的晶格常數(shù)和熱膨脹系數(shù)則越大,但其體模量、定容熱容則會降低。無序的Ni_(1-x)Al_x的熱膨脹系數(shù)、振動熱容和振動熵要大于有序的L2_1Ni_3Al和B2 NiAl相。并分析其態(tài)密度,闡明Ni_(1-x)Al_x穩(wěn)定性、力學和熱力學性能變化的根本原因。(5)運用特定準隨機結(jié)構(gòu)的方法構(gòu)建無序的AlCrFeNi中熵合金,考查不同晶體結(jié)構(gòu)(BCC和FCC)、不同磁性(鐵磁FM和非磁NM)對其穩(wěn)定性、彈性力學和熱力學等性能的影響。FM BCC AlCrFeNi是最穩(wěn)定的,且具有最大的各向異性。FM AlCrFeNi比NM AlCrFeNi更穩(wěn)定,但后者的抗體積、抗剪切和抗彈性變形能力比前者強。在0~1200K內(nèi),FM BCC AlCrFeNi具有最大的定容熱容和振動熵,而其德拜溫度是最低的。AlCrFeNi的電子熵也非常依賴其晶體結(jié)構(gòu)和磁性,其對總熵的貢獻雖較小,但是不可忽略的。并分析其電子結(jié)構(gòu),揭示不同結(jié)構(gòu)和磁性對AlCrFeNi物理性能的影響。(6)研究AlCoCrFeNi高熵合金的形成規(guī)律、相穩(wěn)定性、彈性力學、熱力學等性能,并將其與AlCrFeNi中熵合金進行比較。AlCoCrFeNi的形成焓比AlCrFeNi更低,熵和亥姆霍茲自由能比AlCrFeNi低,抗體積、抗剪切和抗彈性變形能力均比AlCrFeNi強,各向異性比AlCrFeNi的各向異性小,這闡明Co元素添加有利于提高合金的穩(wěn)定性、彈性力學性能,降低合金的各向異性。AlCoCrFeNi高熵合金的晶格常數(shù)、熱膨脹系數(shù)、定容熱容、電子熱容、熵、振動熵和電子熵都隨溫度升高而增大,而其亥姆霍茲自由能、振動自由能和電子自由能則隨溫度升高而降低。最后,研究其電子結(jié)構(gòu)解釋其成鍵情況和物理起源。
【學位授予單位】：中北大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TG139;V252
【圖文】：

圖 1.1 鎳基高溫合金在航空發(fā)動機上的應用 1.1 Application of nickel-based superalloy in aeroe量計算提供必要的輸入?yún)?shù)[6]。中高熵合機匣

圖 1.4 NiAl <100> 1 10 和<111> 滑移系統(tǒng)在不同溫度下的廣義堆垛層錯能曲線Fig. 1.4 Generalized stacking fault energy curves for <100> and <100> slip systemdifferent temperature of NiAl[36]

圖 1.5 Ni3Al、NiAl 的理想拉伸強度及 NiAl 拉伸強度失效的物理本質(zhì)[38]The ideal tensile strength of Ni3Al, NiAl, and the physical nature of NiAl tensile strengt本論文僅研究了立方晶體，而二元的有序金屬間化合物 Ni5Al3、Ni2Al3

本文編號：2753064