合金元素、點缺陷對鎳基及鎂基金屬間化合物性能影響的第一性原理研究.pdf

1、Ni3Al和NiAl合金因不能同時擁有良好室溫塑性和高溫強度，限制了其高端應用；鎂合金也由于存在熱力學不穩(wěn)定相Mg17Al12，當環(huán)境溫度在150℃以上時，其強度和抗蠕變性能急劇下降；合金化是改善金屬間化合物力學性能的有效途徑，研究合金元素、點缺陷對鎳基及鎂基金屬間化合物性能的影響具有重要意義。
　　本文采用第一性原理方法，通過計算合金化后金屬間化合物晶胞的晶格常數(shù)，形成熱和結合能，力學性質，熱力學性能，點缺陷的形成能和平衡濃度，

2、態(tài)密度和電荷密度等，對V、Nb在Ni3Al中的取代行為及合金化效應，Ni3X(X:Al，Mo，Ti，Pt，Si，Nb，V和Zr)金屬間化合物的結構、力學和熱力學性質，點缺陷對B2-NiAl性能影響，Y合金化Mg17Al12相及Al2Y相穩(wěn)定性、力學性質及電子結構，及Zr合金化Mg2Ni氫化物能量與電子結構等進行了研究。
　　通過計算V摻雜Ni3Al點缺陷結構及合金化效應，分析空位和反位的形成熱，再考慮不同反位之間的形成熱，并比較其

3、形成熱大小來分析占位的規(guī)律，以及研究Ni3Al的電子結構，分析成鍵的能力，點缺陷的形成能和平衡濃度，研究發(fā)現(xiàn)：Ni3Al合金中反位缺陷較空位缺陷易形成，NiAl是Ni3Al合金中最主要的反位缺陷，Al位最易形成缺陷，在1400K時，空位缺陷的濃度遠遠低于反位缺陷的濃度；V能提高Ni3Al合金體系的穩(wěn)定性。
　　通過計算Nb在Ni3Al中的取代行為及合金化效應，分析Nb占據(jù)Ni格點和Al格點形成超晶胞的總能量，形成熱，結合能，態(tài)密度

4、和電荷密度，對比得到合適的取代行為及固溶度，并討論了格點排布方式（松散分布和緊湊分布）對體系能量的影響。結果發(fā)現(xiàn)：Nb原子傾向于取代Ni3Al中的Al原子，Nb原子占據(jù)的格點更傾向于緊湊分布，Nb原子能提高Ni3Al的穩(wěn)定性，Nb在Ni3Al中的極限固溶度介于6.25at％~12.5at%之間。
　　計算了Ni3X(X:Al，Mo，Ti，Pt，Si，Nb，V和Zr)金屬間化合物的結構、力學性能、形成熱和電子結構，結果表明：本文研究

5、的Ni3X金屬間化合物都具有力學穩(wěn)定性；力學性質分析發(fā)現(xiàn)Ni3X金屬間化合物的剛度按Ni3Al，Ni3Zr，Ni3Nb，Ni3Pt，Ni3Mo，Ni3Ti，Ni3V和Ni3Si的順序依次增強，塑性按Ni3Ti，Ni3Si，Ni3V，Ni3Zr，Ni3Al，Ni3Mo，Ni3Nb和Ni3Pt的順序依次增強，Ni3Al，Ni3Mo，Ni3Pt，Ni3Si，Ni3Nb，Ni3V和Ni3Zr是延性相，而Ni3Ti是脆性相；形成熱分析發(fā)現(xiàn)Ni3X

6、金屬間化合物的形成熱均為負值，都是熱力學穩(wěn)定相；電子結構分析可知Ni3X金屬間化合物都是磁性化合物，Ni3Si的結構最穩(wěn)定源于較強的離子鍵、共價鍵和金屬鍵共同作用的結果。
　　研究點缺陷對B2-NiAl性能影響，計算了B2-NiAl點缺陷結構的形成熱，形成能，點缺陷平衡濃度，力學性質和電子結構等。結果表明：B2-NiAl合金擁有較好的塑性和較差的成鍵強度；形成熱，形成能和點缺陷平衡濃度的計算表明 Ni空位和Ni反位是B2-NiAl

7、合金中主要的點缺陷結構；通過G/B0和Cauchy壓力(C12–C44)判據(jù)可知Ni空位、Ni反位和Al反位均能降低B2-NiAl合金的塑性，Ni空位是B2-NiAl合金中主要的點缺陷導致B2-NiAl合金的塑性變差，Al空位能提升B2-NiAl合金的塑性，但Al空位的含量低作用很小；態(tài)密度計算表明B2-NiAl合金是導體，除Ni反位缺陷以外其它點缺陷都能提升B2-NiAl合金的穩(wěn)定性。
　　計算了Y合金化Mg17Al12相及Al

8、2Y相的晶格常數(shù)、結合能、彈性常數(shù)、熱力學性質和電子態(tài)密度，分析了Y對Mg17Al12相的晶格常數(shù)及其結構穩(wěn)定性的影響，研究了Mg17Al12相、Al2Y相和Y合金化Mg17Al12固溶相的熱力學性質，力學性質和電子結構。結果發(fā)現(xiàn)：Y合金化后固溶相結構穩(wěn)定性增強，(Mg5Y12)Al12的穩(wěn)定性最高，且形成的第二相Al2Y比相應Y合金化固溶相結構更穩(wěn)定，原因主要是體系存在較強Al-Y離子鍵和Al-Al共價鍵的共同作用；(Mg5Y12)

9、Al12的金屬鍵最強，Mg17Al12其次，Al2Y最差；Mg17Al12和Al2Y為脆性相，而(Mg5Y12) Al12為延性相，且Al2Y的塑性最差；合金體系中形成了熱穩(wěn)定性高的Y合金化固溶相及第二相Al2Y，這些相的熱穩(wěn)定性并不因溫度的升高而消失，其熱穩(wěn)定性均比Mg17Al12相高，因此Y的合金化提高了AZ91鎂合金抗蠕變性能。
　　計算了Zr合金化Mg2Ni氫化物能量與電子結構，確定了Zr合金化Mg2Ni相的最穩(wěn)定結構，再

10、對其氫化物的晶體模型合金化前后的能量進行計算與分析，計算了體系的態(tài)密度，Mulliken電子占據(jù)數(shù)和電荷密度，揭示了體系解氫性能改善的電子機制。結果發(fā)現(xiàn)：Zr合金化Mg2Ni后形成Mg(I)ZrNi的相結構最穩(wěn)定，Zr原子最易占據(jù)Mg(I)：(0.5，0，z)，z=l/9位置，原因是體系在費米能級(EF)處附近的成鍵電子數(shù)最多；進一步計算其氫化物的解氫反應熱發(fā)現(xiàn)：Zr合金化 Mg2Ni氫化物后，體系解氫所需吸收熱量與合金化前相比明顯降低