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(qiáng)度和抗蠕變能力,然而800℃以上抗氧化性不足是限制其實(shí)際應(yīng)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(shí)驗(yàn)研究提供了豐富的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和數(shù)據(jù),但對(duì)TiAl合金抗氧化性的基礎(chǔ)理論性工作,例如O元素在TiAl合金中的擴(kuò)散路徑、Nb等合金元素對(duì)合金基體中O擴(kuò)散及表面氧化物形成機(jī)理的研究都比較少。另一方面,耐磨性對(duì)于航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)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(duì)TiAl合金耐磨性的研究工作不管從實(shí)驗(yàn)還是理論計(jì)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(jì)算,對(duì)TiAl合金中O元素的擴(kuò)散進(jìn)行研究,搞清楚O在TiAl合金中的擴(kuò)散機(jī)制,并研究合金元素抗氧化的作用機(jī)制,并與已有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。另一方面,通過實(shí)驗(yàn)對(duì)TiAl合金摩擦磨損性能進(jìn)行研究,分析Nb對(duì)TiAl合金基體耐磨性的影響機(jī)制,同時(shí)利用第一性原理計(jì)算的方法對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行分析。得到如下結(jié)論:(1)利用第一性原理計(jì)算及德拜模型,分別對(duì)Nb、Y、Sc、Zr...

【文章頁數(shù)】：180 頁

【學(xué)位級(jí)別】：博士

【文章目錄】：
致謝
摘要
Abstract
1 引言
2 文獻(xiàn)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(zhǎng)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(duì)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(jì)算研究
        2.4.1 占位計(jì)算
        2.4.2 抗氧化性計(jì)算
        2.4.3 擴(kuò)散計(jì)算
    2.5 研究?jī)?nèi)容及研究意義
        2.5.1 研究?jī)?nèi)容
        2.5.2 研究意義
3 第一性原理計(jì)算的研究方法
    3.1 基于密度泛函理論的第一性原理計(jì)算
    3.2 0K時(shí)的狀態(tài)方程
    3.3 高溫下的熱力學(xué)計(jì)算
        3.3.1 振動(dòng)貢獻(xiàn):Debye-Grunseisen模型
        3.3.2 振動(dòng)貢獻(xiàn):聲子計(jì)算
        3.3.3 熱電子自由能
    3.4 擴(kuò)散計(jì)算
        3.4.1 擴(kuò)散原理
        3.4.2 擴(kuò)散過程中過渡態(tài)的計(jì)算(NEB)
        3.4.3 爬坡彈性帶方法(CINEB)
        3.4.4 計(jì)算間隙擴(kuò)散
        3.4.5 熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)模擬計(jì)算
4 Nb等合金元素在TiAl合金中的占位穩(wěn)定性
    4.1 計(jì)算方法
        4.1.1 第一原理計(jì)算的基本設(shè)定
        4.1.2 不同TiAl結(jié)構(gòu)相的模型的比較
    4.2 驗(yàn)證計(jì)算的準(zhǔn)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(duì)晶格常數(shù)、體積、體彈模量的影響
        4.2.3 測(cè)試TiAl合金的熱力學(xué)性能
    4.3 在0K溫度時(shí)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?cè)睾蚗_Al和X_Ti作為參考態(tài)的反應(yīng)生成能
        4.3.3 以Ti₃Al、Al₃Ti、合金元素X作為參考態(tài)的反應(yīng)生成能
    4.4 在高溫情況下的占位趨勢(shì)
    4.5 本章小結(jié)
5 Nb對(duì)γ-TiAl合金中O擴(kuò)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(kuò)散
        5.3.1 使用CI-NEB計(jì)算γ-TiAl相中O的擴(kuò)散
        5.3.2 γ-TiAl相中O的擴(kuò)散勢(shì)壘
    5.4 Nb對(duì)-γTiAl相中O的擴(kuò)散勢(shì)壘的影響
    5.5 Nb元素對(duì)γ-TiAl相中O的擴(kuò)散系數(shù)的影響
    5.6 本章小結(jié)
6 Nb對(duì)α₂-Ti₃Al相中O擴(kuò)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(kuò)散
        6.3.1 Ti₃Al相中O的擴(kuò)散
        6.3.2 Ti₃Al相中O的擴(kuò)散勢(shì)壘
    6.4 Nb元素對(duì)氧在Ti₃Al中的擴(kuò)散勢(shì)壘的影響
    6.5 Nb元素對(duì)氧在Ti₃Al相中的擴(kuò)散系數(shù)的影響
        6.5.1 Ti₃Al相中O的擴(kuò)散系數(shù)
        6.5.2 Nb對(duì)Ti₃Al相中O的擴(kuò)散系數(shù)的影響
    6.6 本章小結(jié)
7 Nb等合金元素對(duì)Al₂O₃和TiO₂氧化膜生長(zhǎng)的影響
    7.1 計(jì)算模型和計(jì)算方法
    7.2 Nb等合金元素對(duì)Al-O、Ti-O鍵合強(qiáng)度的影響
    7.3 氧化物Al₂O₃、TiO₂、Nb₂O₅的熔點(diǎn)和生成焓
    7.4 本章小結(jié)
8 Nb對(duì)TiAl合金摩擦磨損性能的影響
    8.1 實(shí)驗(yàn)方法
        8.1.1 樣品制備和表征
        8.1.2 磨損裝置和試驗(yàn)
    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(jī)理和影響因素
    8.4 Nb對(duì)TiAl合金的摩擦磨損性能的影響機(jī)理
        8.4.1 Nb對(duì)TiAl合金摩擦系數(shù)的影響
        8.4.2 Nb對(duì)TiAl合金耐磨性影響的機(jī)理研究
    8.5 本章小結(jié)
9 結(jié)論、創(chuàng)新點(diǎn)和展望
    9.1 結(jié)論
    9.2 創(chuàng)新點(diǎn)
    9.3 展望
參考文獻(xiàn)
作者簡(jiǎn)歷及在學(xué)研究成果
學(xué)位論文數(shù)據(jù)集



本文編號(hào)：3789757