TiAl合金作為一種理想的高溫結(jié)構(gòu)材料具有低密度、高彈性模量以及良好的高溫強度和抗蠕變能力,然而800℃以上抗氧化性不足是限制其實際應用的重要原因之一。高Nb合金化是提高TiAl合金抗氧化性最有效的途徑之一。高Nb-TiAl合金抗氧化性能的大量實驗研究提供了豐富的實驗現(xiàn)象和數(shù)據(jù),但對TiAl合金抗氧化性的基礎理論性工作,例如O元素在TiAl合金中的擴散路徑、Nb等合金元素對合金基體中O擴散及表面氧化物形成機理的研究都比較少。另一方面,耐磨性對于航空航天發(fā)動機熱端零件也非常重要,TiAl表面的耐磨性不足已成為日益突出的問題。而針對TiAl合金耐磨性的研究工作不管從實驗還是理論計算方面還比較欠缺。本論文工作的基本思路就是通過第一性原理計算,對TiAl合金中O元素的擴散進行研究,搞清楚O在TiAl合金中的擴散機制,并研究合金元素抗氧化的作用機制,并與已有實驗數(shù)據(jù)進行對比。另一方面,通過實驗對TiAl合金摩擦磨損性能進行研究,分析Nb對TiAl合金基體耐磨性的影響機制,同時利用第一性原理計算的方法對其力學性能進行分析。得到如下結(jié)論:(1)利用第一性原理計算及德拜模型,分別對Nb、Y、Sc、Zr...

【文章頁數(shù)】：180 頁

【學位級別】：博士

【文章目錄】：
致謝
摘要
Abstract
1 引言
2 文獻綜述
    2.1 TiAl金屬間化合物合金概況
    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合金的長期恒溫氧化
        2.2.3 TiAl合金的循環(huán)氧化
        2.2.4 合金元素對TiAl合金氧化性能的影響
    2.3 TiAl合金的摩擦磨損性能研究
        2.3.1 提高耐磨性能的常用方法
        2.3.2 影響合金摩擦磨損性能的主要因素
    2.4 TiAl合金的模擬計算研究
        2.4.1 占位計算
        2.4.2 抗氧化性計算
        2.4.3 擴散計算
    2.5 研究內(nèi)容及研究意義
        2.5.1 研究內(nèi)容
        2.5.2 研究意義
3 第一性原理計算的研究方法
    3.1 基于密度泛函理論的第一性原理計算
    3.2 0K時的狀態(tài)方程
    3.3 高溫下的熱力學計算
        3.3.1 振動貢獻:Debye-Grunseisen模型
        3.3.2 振動貢獻:聲子計算
        3.3.3 熱電子自由能
    3.4 擴散計算
        3.4.1 擴散原理
        3.4.2 擴散過程中過渡態(tài)的計算(NEB)
        3.4.3 爬坡彈性帶方法(CINEB)
        3.4.4 計算間隙擴散
        3.4.5 熱力學和動力學模擬計算
4 Nb等合金元素在TiAl合金中的占位穩(wěn)定性
    4.1 計算方法
        4.1.1 第一原理計算的基本設定
        4.1.2 不同TiAl結(jié)構(gòu)相的模型的比較
    4.2 驗證計算的準確性
        4.2.1 γ-TiAl相的晶格結(jié)構(gòu)常數(shù)
        4.2.2 合金元素對晶格常數(shù)、體積、體彈模量的影響
        4.2.3 測試TiAl合金的熱力學性能
    4.3 在0K溫度時合金元素在γ-TiAl相中的占位穩(wěn)定性
        4.3.1 形成焓
        4.3.2 以純元素和X_Al和X_Ti作為參考態(tài)的反應生成能
        4.3.3 以Ti₃Al、Al₃Ti、合金元素X作為參考態(tài)的反應生成能
    4.4 在高溫情況下的占位趨勢
    4.5 本章小結(jié)
5 Nb對γ-TiAl合金中O擴散的影響
    5.1 研究方法
    5.2 O在γ-TiAl相中的占位穩(wěn)定性
    5.3 O在γ-TiAl相中的擴散
        5.3.1 使用CI-NEB計算γ-TiAl相中O的擴散
        5.3.2 γ-TiAl相中O的擴散勢壘
    5.4 Nb對-γTiAl相中O的擴散勢壘的影響
    5.5 Nb元素對γ-TiAl相中O的擴散系數(shù)的影響
    5.6 本章小結(jié)
6 Nb對α₂-Ti₃Al相中O擴散的影響
    6.1 研究方法
    6.2 氧在Ti₃Al相中的占位穩(wěn)定性
    6.3 氧在Ti₃Al相中的擴散
        6.3.1 Ti₃Al相中O的擴散
        6.3.2 Ti₃Al相中O的擴散勢壘
    6.4 Nb元素對氧在Ti₃Al中的擴散勢壘的影響
    6.5 Nb元素對氧在Ti₃Al相中的擴散系數(shù)的影響
        6.5.1 Ti₃Al相中O的擴散系數(shù)
        6.5.2 Nb對Ti₃Al相中O的擴散系數(shù)的影響
    6.6 本章小結(jié)
7 Nb等合金元素對Al₂O₃和TiO₂氧化膜生長的影響
    7.1 計算模型和計算方法
    7.2 Nb等合金元素對Al-O、Ti-O鍵合強度的影響
    7.3 氧化物Al₂O₃、TiO₂、Nb₂O₅的熔點和生成焓
    7.4 本章小結(jié)
8 Nb對TiAl合金摩擦磨損性能的影響
    8.1 實驗方法
        8.1.1 樣品制備和表征
        8.1.2 磨損裝置和試驗
    8.2 高Nb-TiAl合金的摩擦磨損性能
        8.2.1 摩擦和磨損行為
        8.2.2 摩擦和磨損軌跡形態(tài)
    8.3 高Nb-TiAl合金摩擦磨損的機理和影響因素
    8.4 Nb對TiAl合金的摩擦磨損性能的影響機理
        8.4.1 Nb對TiAl合金摩擦系數(shù)的影響
        8.4.2 Nb對TiAl合金耐磨性影響的機理研究
    8.5 本章小結(jié)
9 結(jié)論、創(chuàng)新點和展望
    9.1 結(jié)論
    9.2 創(chuàng)新點
    9.3 展望
參考文獻
作者簡歷及在學研究成果
學位論文數(shù)據(jù)集



本文編號：3789757