鈷基高溫合金中γ’相的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、熱力學(xué)性質(zhì)和力學(xué)性能的理論研究.pdf

1、隨著國防科技的迅猛發(fā)展，新一代的航空航天飛機對其發(fā)動機渦輪葉片材料的承溫能力提出更高的要求。Ni基高溫合金由于熔點的限制，其服役溫度已難于滿足航空航天工業(yè)進一步發(fā)展的需求。尋找下一代新型高溫合金以滿足更高效率航空發(fā)動機的需求是國內(nèi)外學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域共同關(guān)注的焦點。最近，新型γ'析出相強化型Co基合金的發(fā)現(xiàn)在全世界掀起了開發(fā)新型鈷基高溫材料的熱潮。這種類似于Ni3Al的γ'析出相在新型Co基高溫合金中起到了至關(guān)重要的作用。γ'相的結(jié)構(gòu)

2、穩(wěn)定性、彈性力學(xué)性質(zhì)與溫度的依存關(guān)系直接決定了Co基合金在高溫下的綜合力學(xué)性能。利用第一性原理計算方法，理論研究實驗上難于測定和表征的亞穩(wěn)γ'析出相的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、高溫彈性性質(zhì)、理論力學(xué)性能，并完善熱力學(xué)數(shù)據(jù)信息，揭示彈性力學(xué)性能與微觀電子結(jié)構(gòu)間的關(guān)系，對于新型γ'析出相強化型Co基高溫合金的設(shè)計和開發(fā)具有重要的學(xué)術(shù)價值和理論指導(dǎo)意義。
　　本研究擬通過基于密度泛函理論的第一性原理計算方法系統(tǒng)地研究新型Co基高溫合金中γ'相的結(jié)構(gòu)穩(wěn)

3、定性、熱力學(xué)性質(zhì)和彈性力學(xué)性能（彈性性質(zhì)、理論硬度、理想強度等），探討溫度和應(yīng)力影響γ'相的彈性力學(xué)性能的微觀機理。同時針對合金元素在γ'相中的擇優(yōu)占位情況及其對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響開展研究工作;并在此基礎(chǔ)上，揭示合金化對γ'相的彈性性質(zhì)的影響規(guī)律。本論文的研究內(nèi)容主要由四部分組成:Co-X體系中γ'相的電子結(jié)構(gòu)、彈性和熱力學(xué)性質(zhì)的研究（第三章）;過渡族元素對Co3Al相的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和彈性性質(zhì)的影響（第四章）;Co基高溫合金三元系中γ'相的

4、高溫彈性力學(xué)性質(zhì)與電子結(jié)構(gòu)的研究（第五章）;Ta，Ni摻雜對γ'-Co3(Al，W)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和力學(xué)性能的影響（第六章）。
　　利用基于密度泛函理論的第一性原理方法，首先系統(tǒng)研究了Cu3Au和Ni3Sn結(jié)構(gòu)的Co3X(X: Ti，Ta，Al，W， V)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、微觀電子結(jié)構(gòu)、彈性力學(xué)性質(zhì)和熱力學(xué)性質(zhì)。研究結(jié)果表明，Co3X化合物的基態(tài)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與其電子軌道在費米能級附件的雜化作用有著密切的關(guān)系。而Co3X化合物的彈性力學(xué)參數(shù)

5、值不僅與元素X的熔點成正比，還與結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性密切相關(guān)。
　　結(jié)合第一性原理計算方法和應(yīng)力-應(yīng)變方法，研究了過渡族元素X(X: Nb，Mn, Fe, Ni,Ir,Re,Mn, Mo, Cr, Hf, Ru, Rh, Zr,Y,Sc, Ti, V, Ta, W, Tc, Os, Pd, Pt)的添加對L12有序的亞穩(wěn)相Co3Al的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和彈性性質(zhì)的影響規(guī)律，并解釋其影響的微觀機理。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn):W、Ti、Re、V和Ta原子傾向占據(jù)

6、Co3Al化合物中的Al位;Pd、Pt、Rh、Ni、Ir、Fe和Ru原子傾向占據(jù)Co3Al化合物中的Co位;Mn、Sc、Y、Hf、 Zr、Os、Cr、Mo、Tc和Nb原子可以同時占據(jù)Co3Al化合物的Al位和Co位。過渡族元素的添加對Co3Al相的彈性力學(xué)性質(zhì)的影響作用，與元素X在其微觀結(jié)構(gòu)中的價電子分布的形狀和大小有著密切的關(guān)系。
　　結(jié)合第一性原理計算和準簡諧近似模型，研究了新型Co基高溫合金中γ'-Co3(M，W)(M: A

7、l，Ge，Ga)相的高溫彈性力學(xué)性質(zhì)和熱力學(xué)性質(zhì)。研究結(jié)果表明:γ'-Co3(M，W)相的高溫力學(xué)性質(zhì)主要依靠其微觀結(jié)構(gòu)中Co-W化學(xué)鍵的強烈相互作用來維持。隨溫度的逐漸提高，Co3(Ge，W)相的力學(xué)性能的下降幅度遠遠超過Co3(Al，W)和Co3(Ga, W)相。Co3(Ge，W)相的力學(xué)性能在高溫時急劇的下降主要是由于Co-Ge鍵合間的雜化作用在溫度作用下的顯著弱化所導(dǎo)致的。
　　利用基于密度泛函理論的第一性原理方法，研究了

8、微量原子Ta、Ni在γ'-Co3(Al，W)相中的擇優(yōu)占位、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、磁學(xué)性質(zhì)、微觀電子結(jié)構(gòu)和理想力學(xué)強度等性質(zhì)。研究結(jié)果表明:在外加應(yīng)力作用下，γ'-Co3(Al，W)的力學(xué)性能降低主要是由于Co-Al化學(xué)鍵間的價電子崩塌所導(dǎo)致的。而在受外力變形過程中，γ'-Co3(Al，W)相中Co-W化學(xué)鍵起到了維持γ'相的力學(xué)性能的作用。微量元素對γ'-Co3(Al，W)的力學(xué)性能的強化作用主要是通過摻雜原子與γ'相的原子結(jié)構(gòu)中Co、W原子形