Laves相TaCr2力學性能與摻雜的第一性原理研究.pdf

1、Laves相TaCr2不僅具有熔點高、密度適中，并具有良好的高溫抗氧化性及蠕變抗力，但嚴重的室溫脆性阻礙了其在航空航天領域的應用。本文采用基于密度泛函的第一性原理方法對Laves相TaCr2和元素X(X=Fe、Si、Mo、Ti)摻雜TaCr2的力學性能、相穩(wěn)定性和電子結(jié)構(gòu)進行了研究。上述理論研究有可能為改善TaCr2合金的室溫脆性以及設計新型Ta-Cr高溫合金提供理論依據(jù)。
　　首先，采用第一性原理方法研究TaCr2的力學性能、相

2、穩(wěn)定性和電子結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明C15和C14結(jié)構(gòu)TaCr2都滿足力學性能穩(wěn)定性的限制條件，且C15比C14更容易進行彈性變形；從熱力學的角度分析，C15比C14更容易生成且C15比C14穩(wěn)定；對電子結(jié)構(gòu)分析，發(fā)現(xiàn)C15的費米能遠低于C14，進一步解釋了C15比C14更穩(wěn)定。并且TaCr2在態(tài)密度圖中呈現(xiàn)出一個明顯的贗能隙，贗能隙越寬化合物之間的雜化效應就越強烈，Ta和Cr原子之間的強烈的雜化效應會增加鍵合定向性，這對于TaCr2的韌性是不利

3、的，也是Laves相TaCr2室溫脆性嚴重的本質(zhì)原因之一。
　　隨后，采用第一性原理方法的對摻雜元素X(X=Fe、Si、Mo、Ti)的C15結(jié)構(gòu)TaCr2的力學性能、相穩(wěn)定性和電子結(jié)構(gòu)進行了計算。元素Fe和Si傾向于占據(jù)TaCr2中Cr的晶格位置，Mo與Ti則傾向于占據(jù)Ta的晶格位置，計算的晶格占位情況與實驗結(jié)果相吻合。并且Fe占據(jù)TaCr2中Cr的晶格位置降低了TaCr2的相穩(wěn)定性，Si占據(jù)TaCr2中Cr的晶格位置和Mo與Ti

4、占據(jù)Ta的晶格位置提高了TaCr2的相穩(wěn)定性。
　　最后，對摻雜元素X前后TaCr2的力學性能進行了研究。元素X(X=Fe、Si、Mo、Ti)的摻雜增加了TaCr2的硬度，其中Ti的摻雜使得TaCr2的硬度提高的幅度最大。摻雜元素Fe、Si和Mo，能改善TaCr2的脆性，其中Fe的摻雜對改善TaCr2的脆性最為有利，而Ti反而降低了TaCr2的韌性，這與電子結(jié)構(gòu)分析的結(jié)果和實驗結(jié)果相吻合。并且摻雜元素X(X=Mo、Si、Fe和Ti