O在TiAl表面及TiAl-TiO2界面擴散特性的第一性原理研究.pdf

1、TiAl基合金作為高溫結構材料應用的瓶頸之一是其高溫(>850℃)抗氧化性能的不足。本文采用第一性原理方法研究了理想化學計量比的γ-TiAl與其氧化產物之一TiO2(金紅石相)的界面性質，包括O原子在TiAl(111)和(110)表面的吸附，O原子在TiAl表面和TiAl/TiO2界面的擴散。從電子結構層次分析了TiO2氧化膜對TiAl氧化行為的影響機理。
　　對TiAl自由表面的研究顯示(111)表面最穩(wěn)定，Al終端(110)表

2、面(簡寫為Al-(110))的穩(wěn)定性低于(111)表面，表面能高出～0.3J/m2。O原子在TiAl自由表面的吸附顯示，O在TiAl表面傾向于吸附在富Ti的環(huán)境：(111)表面的fcc-Al位置，Al-(110)表面的b1橋位和表面下的oct-Ti位置。O吸附產生的O與表面原子間的作用限制了表面原子的移動，但是這種作用有一定的局限性。在致密的(111)表面，O-Al和O-Ti作用同時存在(O-Al作用略強于O-Ti作用)，使得O很難在表

3、面層內擴散。O原子在Al-(110)表面層內的擴散受制于O-Al作用，由最穩(wěn)定的吸附位置向次穩(wěn)定的吸附位置擴散的勢壘～1.37eV。
　　對O原子由TiAl自由表面向體相擴散的研究顯示，O的擴散主要受O-Al和O-Ti作用的影響，與所處的環(huán)境(表面或體相)的關聯較弱。O原子由Al-(110)表面向體相擴散時，需要～2.08eV的能量克服表面Al原子層對O的束縛，進一步向體相擴散其能量變化，隨最小能量擴散路徑上原子層的種類，呈周期性

4、變化。表面的原子層(尤其是Al原子層)能夠一定程度地阻隔O向TiAl基體的擴散，從而減緩TiAl的氧化。由Al原子層向Ti原子層擴散為難擴散方向。當O原子與表面Ti和Al原子的作用破壞了Ti-Al間的作用時，O原子才得以向體內擴散，與次表面層的Ti和Al原子作用，使TiAl進一步氧化。
　　Al-(110)/TiO2(110)界面形成過程中， TiO2側的氧原子傾向于脫離TiO2向TiAl體相擴散，形成O空位(TiO2側)-間隙(

5、TiAl側)復合缺陷，記為OV-I。無論是含有OV-I還是富O的Al-(110)/TiO2(110)界面，O原子由界面區(qū)向TiAl片層擴散的勢壘均～1.20eV。較之由Al-(110)自由表面向體相擴散的勢壘低～1.40eV，表明O原子向TiAl片層擴散的主要壁壘為其表面的Al原子層，相對較強的Al-O作用制約了O原子向TiAl片層的擴散，一旦O原子脫離TiO2且克服Al-O作用的束縛，其將向TiAl體相擴散參與氧化，表明TiAl表面形