论文摘要
Ni基高温合金是目前航空航天领域应用最广的高温材料。随着国防科技的发展,新一代的航空航天飞机对发动机涡轮叶片材料的承温能力提出更高的要求。然而Ni基高温合金受熔点的限制,其服役温度很难进一步提高。寻找下一代高温合金成为国内外研究机构的关注焦点。近年来,研究者们陆续在Pt-Al基合金中发现与Ni3A1类似的γ’析出强化相,由此Pt基高温合金成为新一代高温合金的候选材料。作为新型Pt基高温合金中的关键强化相,γ’相的结构稳定性和弹性性质直接决定了 Pt基高温合金的综合力学性能。然而实验上往往通过尝试法来选择合适的合金元素以稳定γ’相,且实验上很难对γ’相的性质进行测量和表征。因此,为指导γ’相强化型Pt基高温合金的设计和开发,有必要从理论角度研究合金元素对γ’相的结构稳定性和弹性性质的影响。为了研究新型Pt基高温合金的性能优势,本论文首先分析和对比了γ’-Pt3A1和γ’-Ni3Al相在弹性性质、电子结构和点缺陷结构方面的性能特点。对生成焓和结合能的计算结果发现γ-Pt3Al相的稳定性比γ’-Ni3Al相的稳定性好。对弹性性质的计算结果表明γ’-Pt3A1相比γ’-Ni3Al相的抗弹性变形能力更好。对理想拉伸强度的计算结果表明,在[110]和[111]方向下γ’-Pt3Al的理想拉伸强度明显大于γ’-Ni3Al。对能带结构和态密度的计算结果表明,y’-Pt3A1和γ’-Ni3Al相表现金属特性,且形成了 Pt-Pt和Pt-Al（Ni-Al）键,进一步的布居分析表明,γ’-Pt3Al相比γ’-Ni3Al相显示出更好的共价特性。本论文还对γ’-Pt3A1和γ’-Ni3Al相的单点缺陷结构进行了研究,通过对点缺陷平衡溶度的计算,发现在高温下γ’-Pt3A1的空位浓度要低于γ’-Ni3Al的空位浓度,说明γ’-Pt3Al的抗高温蠕变性能较好。本论文主要计算了合金元素 M（M=Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir）的掺杂对γ’-Pt3Al 相的影响。占位倾向能的计算表明合金元素合金元素Ir、Fe、Ni、Pd、Rh倾向于占据Pt位,而V、Ta、Hf、Y、Zr、Nb、W、Re、Mo、Sc、Ti、Cr、Tc、Mn、Ru、Os、Co 倾向于占据 A1 位。稳定形成能的计算结果表明在占据A1位的合金元素中,V、Ta、Hf、Y、Zr、Nb、W、Re、Mo、Sc、Ti、Cr、Tc、Mn、Co能够有效稳定γ’-Pt3Al相。对能够有效稳定γ’-Pt3Al相的合金元素M所掺杂形成的三元化合物Pt24A17M的B/G值的分析结果表明合金元素的掺杂不会改γ’-Pt3Al相的本征韧性属性。对弹性各向异性的分析结果表明,4d和5d过渡族金属元素的掺杂对弹性各向异性的影响规律和对γ’-Pt3A1相体积改变量的影响规律一样,都是随着原子序数的增加而逐渐减小。对弹性性质和热力学性能分析的结果表明不同周期的合金元素对γ’-Pt3Al相性能的影响规律不一样,3d过渡族金属元素（Sc、Ti、V、Cr、Mn、Co）对γ’-Pt3A1相性能的影响并没有规律性;4d（Y、Zr、Nb、Mo、Tc）和5d（Hf、Ta、W、Re）过渡族金属元素对γ’-Pt3Al相性能的影响具有规律性。随着原子序数的增大,分别以Mo和Ta元素为分界点,4d和5d过渡族金属元素的弹性模量、德拜温度以及硬度都呈先增大后减小的趋势。对电子结构的分析结果表明,三元化合物Pt24A17M中主要形成了 Pt-Pt金属键、Pt-Al共价键和Pt-M共价键,且4d和5d过渡族金属元素的掺杂对结构稳定性和共价特性的影响规律与对弹性模量、德拜温度、硬度的影响规律一致。本论文的创新之处在于采用第一性原理方法计算了合金元素掺杂对γ’-Pt3Al相稳定性及性能的影响。研究和分析了γ’-Pt3A1的结构和力学性能,并解释了合金元素稳定γ’-Pt3Al的微观机制,以及阐述了合金元素对γ’-Pt3Al的影响规律。
论文目录
文章来源
类型: 硕士论文
作者: 姚碧霞
导师: 周晓龙,张昆华
关键词: 第一性原理,合金元素,力学性质,电子结构
来源: 昆明理工大学
年度: 2019
分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑
专业: 物理学,金属学及金属工艺
单位: 昆明理工大学
分类号: TG132.3;O469
DOI: 10.27200/d.cnki.gkmlu.2019.000929
总页数: 103
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