本文關(guān)鍵詞：基于DFT和MD方法研究激光熔覆YSZ@Ni涂層的界面穩(wěn)定機(jī)制　出處：《南昌航空大學(xué)》2017年碩士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：激光熔覆技術(shù)制備納米YSZ@Ni熱障涂層在航空航天領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景,而界面穩(wěn)定性是影響納米熱障涂層性能優(yōu)劣的主要因素�；诋�(dāng)前實(shí)驗(yàn)上難以觀測(cè)激光熔覆過程中涂層與基體界面的實(shí)時(shí)演變過程,本文采用密度泛函理論(DFT)和分子動(dòng)力學(xué)(MD)計(jì)算方法,系統(tǒng)研究YSZ@Ni涂層與Fe基體或Ni基體界面結(jié)合強(qiáng)度,從原子尺度分析界面結(jié)合的穩(wěn)定性機(jī)制,探索了界面結(jié)合的韌脆性轉(zhuǎn)變特征,研究界面的能態(tài)與電子結(jié)構(gòu),考察界面原子擴(kuò)散及其對(duì)界面穩(wěn)定性的影響,具體研究?jī)?nèi)容如下:首先,系統(tǒng)地研究了YSZ@Ni涂層與Fe基體的界面結(jié)合強(qiáng)度。通過第一性原理計(jì)算了ZrO_2/Ni、Ni/FeCr和ZrO_2/FeCr界面能態(tài)與電子結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)ZrO_2/Ni界面模型中只能以ZrO_2(100)/Ni(100)(O|Ni)界面結(jié)合形式穩(wěn)定存在。通過對(duì)Ni/Fe(100)、(110)和(111)界面模型的斷裂功計(jì)算,發(fā)現(xiàn)Ni(100)/Fe(100)界面模型的斷裂功最大,Cr元素?fù)诫s后,Ni(100)/FeCr(100)界面模型的形成熱和結(jié)合能較原始模型明顯降低,而其斷裂功明顯增加,表明Cr元素?fù)诫s能夠顯著增強(qiáng)Ni/Fe界面穩(wěn)定性。Mulliken布居計(jì)算表明,ZrO_2/Ni(O|Ni)、ZrO_2/FeCr(O|Fe)和ZrO_2/FeCr(O|Cr)三種異質(zhì)界面模型中界面層原子之間的Mulliken鍵合布居強(qiáng)度變化趨勢(shì)為QO-NiQO-CrQO-Fe,對(duì)比層內(nèi)與層間的局部布居強(qiáng)度比值(RLBOP),發(fā)現(xiàn)Ni(111)/Fe(111)界面模型的RLBOP最大,而Ni(100)/Fe(100)界面模型的RLBOP最小,摻雜Cr元素后,Ni(100)/FeCr(100)界面模型的RLBOP變得最小,表明Cr元素?fù)诫s能夠改善界面韌脆性。電子密度差分計(jì)算顯示,Ni(110)/Fe(110)和Ni(111)/Fe(111)兩個(gè)界面模型的脆性傾向來源于其蝴蝶狀的的共價(jià)鍵特性,而Ni(100)/Fe(100)和Ni(100)/FeCr(100)界面模型的韌性傾向來源于其均勻分布的金屬鍵特性。其次,探究了YSZ@Ni涂層與Fe基體的界面原子擴(kuò)散。通過MEP方法計(jì)算了處于基態(tài)的界面原子擴(kuò)散過程,發(fā)現(xiàn)Zr?Ni和Ni?Fe原子間的相互擴(kuò)散是一個(gè)吸熱反應(yīng),而Ni?Cr原子間相互擴(kuò)散取決于Cr原子在界面處的位置:當(dāng)Cr原子處于界面最近鄰處的位置時(shí),Ni?Cr之間的擴(kuò)散也是一個(gè)吸熱反應(yīng);當(dāng)Cr原子處于界面次近鄰位置或者增加Cr元素的含量時(shí),Ni?Cr之間的擴(kuò)散則是一個(gè)放熱反應(yīng)。進(jìn)一步采用分子動(dòng)力學(xué)(MD)方法考察了不同溫度下Fe、Cr、Ni三種原子擴(kuò)散能力,發(fā)現(xiàn)在熔化和凝固過程中,它們的擴(kuò)散系數(shù)變化趨勢(shì)為DFeDCrDNi,但是體系在開始凝固形核的溫度變化微小區(qū)域內(nèi),三種原子的擴(kuò)散系數(shù)急劇下降,而擴(kuò)散系數(shù)又呈現(xiàn)出DNiDFe≈DCr的趨勢(shì)。最后,系統(tǒng)地研究了YSZ@Ni涂層與Ni基體的界面穩(wěn)定性。通過第一性原理計(jì)算發(fā)現(xiàn)界面粘結(jié)層中Al_2O_3相的形成熱比TiO2相的要低,表明前者比后者更容易形成。Mulliken布居分析表明ZrO_2/Al(O|Al)界面結(jié)構(gòu)最不穩(wěn)定,布居強(qiáng)度為0.133,其次為ZrO_2/Al_2O_3(Zr|O)界面模型,ZrO_2/Ni(O|Ni)界面模型的布居強(qiáng)度最大。進(jìn)一步采用分子動(dòng)力學(xué)(MD)方法考察了不同溫度下Ni、Fe、Al和Ti四種原子的擴(kuò)散能力,發(fā)現(xiàn)升溫和降溫過程中,Ni/NiFeAl界面模型中三種原子的擴(kuò)散系數(shù)一直呈現(xiàn)出DNiDFeDAl的趨勢(shì),在Ni/NiAlTi界面模型中三種原子的擴(kuò)散系數(shù)呈現(xiàn)出DNiDTiDAl的規(guī)律,歸一化后,NiFeAlTi四元體系的擴(kuò)散系數(shù)變化為DNiDFeDTiDAl。
[Abstract]:In this paper , the interface bonding strength of Ni ( 100 ) / Fe ( 100 ) interface model is studied by using density functional theory ( DFT ) and molecular dynamics ( MD ) method .

【學(xué)位授予單位】：南昌航空大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TG174.4

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：1413801