【摘要】：鎳基高溫合金因具有優(yōu)異的力學(xué)性能、抗氧化和蠕變等性能,被廣泛應(yīng)用于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)的熱端部件;中高熵合金因具有高硬度、高強(qiáng)度、良好的耐腐蝕性能等優(yōu)點(diǎn),在諸多領(lǐng)域有潛在應(yīng)用的價(jià)值。目前,對(duì)鎳鋁多熵合金的研究主要是合金的設(shè)計(jì)與制備、組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的實(shí)驗(yàn)研究,然而這些研究側(cè)重于宏觀尺度。實(shí)驗(yàn)急需電子-原子尺度予以解釋其主導(dǎo)力學(xué)性能的機(jī)制及熱力學(xué)性能隨溫度的依賴關(guān)系。因此,有必要在納觀尺度下進(jìn)一步研究鎳鋁多熵合金的結(jié)構(gòu)和物理性能。本論文采用基于密度泛函理論的第一性原理方法,研究鎳鋁二元三元有序金屬間化合物的結(jié)構(gòu)和彈性力學(xué)性能;研究鎳鋁二元、四元和五元無(wú)序固溶體合金的結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性和彈性力學(xué)性質(zhì);并結(jié)合熱力學(xué)德拜模型研究有序/無(wú)序合金在有限溫度下的熱力學(xué)性質(zhì)。從電子-原子尺度解釋鎳鋁多熵合金力學(xué)性能主導(dǎo)機(jī)制和熱力學(xué)響應(yīng)規(guī)律,為設(shè)計(jì)新型鎳基高溫合金和中高熵合金提供理論指導(dǎo),為材料基因組計(jì)劃添磚加瓦。主要內(nèi)容如下:(1)研究壓力對(duì)鎳鋁二元有序金屬間化合物Ni_3Al、Ni_5Al_3、NiAl、Ni_2Al_3和NiAl_3的結(jié)構(gòu)、彈性力學(xué)、熱力學(xué)等性質(zhì)的影響。五種Ni-Al金屬間化合物在0~50GPa都是力學(xué)穩(wěn)定的。適當(dāng)增大壓力和Ni含量能提高鎳鋁合金的抗體積變形能力。Ni_3Al、Ni_5Al_3和NiAl的延展性隨壓力增大而增大;Ni_5Al_3、NiAl和Ni_2Al_3的顯微硬度卻隨壓力的增大而增大;五種化合物的各向異性也隨壓力增大而增大。同一溫度下,五種化合物的體模量、德拜溫度隨壓力的升高而增大,而線性熱膨脹系數(shù)、熱容則隨壓力升高而降低。并從電子結(jié)構(gòu)的角度解釋其穩(wěn)定性和物理本質(zhì)。(2)研究順磁性Heusler化合物Ni_2XAl(X=Sc,Ti,V)形成焓、彈性性質(zhì)和熱力學(xué)等性質(zhì),考察不同壓力對(duì)其性能的影響。順磁Ni_2XAl在0~50GPa內(nèi)是力學(xué)穩(wěn)定的,并且表現(xiàn)為延展性和各向異性。它們的彈性模量、顯微硬度及延展性都會(huì)隨壓力的增大而增大。壓力對(duì)彈性模量和顯微硬度的影響隨著原子序數(shù)X(Sc,Ti,V)的增大而降低,而對(duì)延展性和各向異性的影響則隨原子序數(shù)X增大而增大。Ni_2XAl的抗體積變形能力和導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度升高而降低,而定壓熱容和熱膨脹系數(shù)則隨溫度的升高而增大;但壓力對(duì)這些熱力學(xué)性質(zhì)的影響與溫度相反。并從價(jià)電子軌道貢獻(xiàn)和原子成鍵的角度洞悉其物理本質(zhì)。(3)考察鐵磁性Heusler化合物Ni_2XAl(X=Co,Cr,Fe)的結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性、磁性、四方形變、熱力學(xué)和電子結(jié)構(gòu)等性質(zhì)。立方的Ni_2CrAl在0GPa時(shí),是力學(xué)穩(wěn)定的,而立方的Ni_2FeAl和Ni_2CoAl是力學(xué)不穩(wěn)定的。Ni_2CrAl不具有形狀記憶效應(yīng),其在L2_1相是最穩(wěn)定的,但適當(dāng)調(diào)整其化學(xué)式比例,可能會(huì)使其會(huì)發(fā)生馬氏體相變。Ni_2FeAl和Ni_2CoAl在適當(dāng)?shù)臏囟群痛艌?chǎng)下能發(fā)生馬氏體相變,具有形狀記憶效應(yīng)。隨著X原子的原子序數(shù)增大,鐵磁Ni_2XAl的體積、德拜溫度和熱膨脹系數(shù)隨之降低,而定容熱容則隨之增大。并分析其電子態(tài)密度,闡明Ni_2FeAl和Ni_2CoAl發(fā)生相變的物理本質(zhì)。(4)研究無(wú)序的BCC和FCC Ni_(1-x)Al_x(x=0.25,0.50,0.75)二元低熵合金的穩(wěn)定性、彈性力學(xué)和熱力學(xué)等性能,并將其與有序的L2_1 Ni_3Al和B2 NiAl相進(jìn)行比較。Ni_(1-x)Al_x是動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定的,且FCC Ni_(1-x)Al_x比BCC Ni_(1-x)Al_x更穩(wěn)定,其在轉(zhuǎn)變成有序相時(shí),最有可能析出L2_1 Ni_3Al相。Ni_(1-x)Al_x的抗體積、抗剪切和抗彈性變形都隨Al原子含量增大而降低。Al原子含量越高,Ni_(1-x)Al_x的晶格常數(shù)和熱膨脹系數(shù)則越大,但其體模量、定容熱容則會(huì)降低。無(wú)序的Ni_(1-x)Al_x的熱膨脹系數(shù)、振動(dòng)熱容和振動(dòng)熵要大于有序的L2_1Ni_3Al和B2 NiAl相。并分析其態(tài)密度,闡明Ni_(1-x)Al_x穩(wěn)定性、力學(xué)和熱力學(xué)性能變化的根本原因。(5)運(yùn)用特定準(zhǔn)隨機(jī)結(jié)構(gòu)的方法構(gòu)建無(wú)序的AlCrFeNi中熵合金,考查不同晶體結(jié)構(gòu)(BCC和FCC)、不同磁性(鐵磁FM和非磁NM)對(duì)其穩(wěn)定性、彈性力學(xué)和熱力學(xué)等性能的影響。FM BCC AlCrFeNi是最穩(wěn)定的,且具有最大的各向異性。FM AlCrFeNi比NM AlCrFeNi更穩(wěn)定,但后者的抗體積、抗剪切和抗彈性變形能力比前者強(qiáng)。在0~1200K內(nèi),FM BCC AlCrFeNi具有最大的定容熱容和振動(dòng)熵,而其德拜溫度是最低的。AlCrFeNi的電子熵也非常依賴其晶體結(jié)構(gòu)和磁性,其對(duì)總熵的貢獻(xiàn)雖較小,但是不可忽略的。并分析其電子結(jié)構(gòu),揭示不同結(jié)構(gòu)和磁性對(duì)AlCrFeNi物理性能的影響。(6)研究AlCoCrFeNi高熵合金的形成規(guī)律、相穩(wěn)定性、彈性力學(xué)、熱力學(xué)等性能,并將其與AlCrFeNi中熵合金進(jìn)行比較。AlCoCrFeNi的形成焓比AlCrFeNi更低,熵和亥姆霍茲自由能比AlCrFeNi低,抗體積、抗剪切和抗彈性變形能力均比AlCrFeNi強(qiáng),各向異性比AlCrFeNi的各向異性小,這闡明Co元素添加有利于提高合金的穩(wěn)定性、彈性力學(xué)性能,降低合金的各向異性。AlCoCrFeNi高熵合金的晶格常數(shù)、熱膨脹系數(shù)、定容熱容、電子熱容、熵、振動(dòng)熵和電子熵都隨溫度升高而增大,而其亥姆霍茲自由能、振動(dòng)自由能和電子自由能則隨溫度升高而降低。最后,研究其電子結(jié)構(gòu)解釋其成鍵情況和物理起源。
【學(xué)位授予單位】：中北大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TG139;V252
【圖文】：

圖 1.1 鎳基高溫合金在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用 1.1 Application of nickel-based superalloy in aeroe量計(jì)算提供必要的輸入?yún)?shù)[6]。中高熵合機(jī)匣

圖 1.4 NiAl <100> 1 10 和<111> 滑移系統(tǒng)在不同溫度下的廣義堆垛層錯(cuò)能曲線Fig. 1.4 Generalized stacking fault energy curves for <100> and <100> slip systemdifferent temperature of NiAl[36]

圖 1.5 Ni3Al、NiAl 的理想拉伸強(qiáng)度及 NiAl 拉伸強(qiáng)度失效的物理本質(zhì)[38]The ideal tensile strength of Ni3Al, NiAl, and the physical nature of NiAl tensile strengt本論文僅研究了立方晶體，而二元的有序金屬間化合物 Ni5Al3、Ni2Al3

本文編號(hào)：2753064