Nb合金化對(duì)納米晶Ti5Si3性能影響的理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、本文采用第一性原理計(jì)算與實(shí)驗(yàn)方法研究Nb合金化對(duì)Ti5Si3性能的影響。理論計(jì)算結(jié)果表明(Ti1-xNbx)5Si3(x=0,0.0333,0.0667,0.167)均滿足熱力學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性的條件,但隨Nb含量的增大(Ti1-xNbx)5Si3在熱力學(xué)上趨于不穩(wěn)定;另外,在機(jī)械性質(zhì)方面,Nb合金化使剪切模量(G)和楊氏模量(E)降低,體模量(B)變化不大。表征材料韌脆性的經(jīng)驗(yàn)常數(shù) B/G、泊松比以及柯西壓力值都在增加,說(shuō)明Nb合金

2、化可以改善Ti5Si3的韌性,從電子結(jié)構(gòu)角度分析韌性改善的原因:通過(guò)差分密度圖可以看到,Nb的加入使得沿 C軸 Ti4d原子之間鍵合的方向性發(fā)生了較大的改變,同時(shí)(001)面間距增大;這會(huì)導(dǎo)致c軸熱膨脹系數(shù)減小,從而使Ti5Si3的韌性得到改善。由態(tài)密度結(jié)合差分密度分析可知Nb的加入使得Ti(Ti6g)3d電子與Si3p電子間強(qiáng)鍵結(jié)合減弱,這也可在一定程度上改善Ti5Si3的韌性。
　　實(shí)驗(yàn)上利用雙陰極等離子濺射沉積技術(shù)在鈦合金表

3、面制備了(Ti1-xNbx)5Si3(x=0,0.04,0.1,0.2)涂層。XRD結(jié)果顯示(Ti1-xNbx)5Si3涂層相組成僅為單一D88結(jié)構(gòu)的Ti5Si3相;橫斷面SEM表明涂層厚度約為10μm且與基體結(jié)合良好;TEM分析表明,所制備納米晶涂層微觀結(jié)構(gòu)為15nm大小的晶粒組成的直徑約180nm的花簇狀結(jié)構(gòu);結(jié)合第一性原理計(jì)算結(jié)果表明Nb的加入降低了涂層中存在的殘余應(yīng)力;納米壓入測(cè)試表明納米晶涂層極大提高TC4的硬度及彈性模量,

4、Nb合金化降低了納米晶(Ti1-xNbx)5Si3硬度及彈性模量;劃痕測(cè)試分析表明所制備納米晶涂層與基體具有良好的結(jié)合力。電化學(xué)測(cè)試表明,在5wt％H2SO4溶液中浸泡前后,納米晶(Ti1-xNbx)5Si(x=0.1,0.2)具有較好的耐蝕性,XPS分析結(jié)果顯示Nb合金化有利于涂層表面所形成的鈍化膜中具有較高絕緣性和穩(wěn)定性的 SiO2含量的提高;通過(guò) Mott-Schottky理論計(jì)算表明耐蝕性好涂層其鈍化膜具有低的施主密度、較低的平

5、帶電位以及較厚的厚度,這使得(Ti1-xNbx)5Si3納米晶涂層具有較好的耐腐蝕能力。同時(shí)在人體模擬體液37℃Ringer’s溶液電化學(xué)測(cè)試結(jié)果表明:納米晶涂層比TC4具有更好的耐蝕性且Nb合金化有利于Ti5Si3耐蝕性的提高。通過(guò)分析表明(Ti1-xNbx)5Si3納米晶涂層表面所形成的鈍化膜具有較高含量的 SiO2,且鈍化膜的缺陷較少,結(jié)構(gòu)較為致密;另一方面 Nb合金化使涂層殘余應(yīng)力的減小,鈍化膜破裂的傾向減小。(Ti1-xNbx