合金元素对钴基高温合金中γ’相影响的第一性原理研究
钴基高温合金，作为优秀的高温结构材料之一，具有良好的耐疲劳性、耐腐蚀性等性质，往往通过固溶强化和碳化物强化的方法来提高合金的性能。然而，在20世纪50年代以后，因为钴基高温合金中缺乏有序强化相来进一步提升合金的高温性能，而镍基高温合金中具有有序沉淀强化相即γ'相，所以镍基高温合金在高温合金领域逐步占据了主导地位。近些年来，因航空航天发动机对推重比和热效率不断提出更高的要求，需材料在更高温度下工作，所以希望将有序γ'相强化机制引入具有更高熔点的钴基高温合金中，从而得到能胜任更高工作温度的综合力学性能出色的结构材料。 在Co-Al-W三元合金体系中，发现了高温下稳定存在的具有L12结构的γ'-Co3(Al，W)相，该相与基体Co具有共格关系，并且与镍基高温合金中的γ-γ'结构类似，其机械性能优异，尤其是其蠕变性能超过了现有的钴基合金，并且与一些镍基合金相当。但是，Co-Al-W合金的密度较高。研究人员从与W元素同属元素周期表中VIB族的Mo入手，发现了密度较低的具有L12有序结构的γ'-Co3(Al，Mo，Nb)相。为提升合金的性能，常常向合金中加入一些合金化元素，在钴基高温合金中，元素Ti、Nb倾向于进入γ'相，具有稳定γ'相和提升合金中γ'相体积分数的作用，是有利于γ'相形成的元素，同时还可以增加γ'相的溶解温度。鉴于此，本文从合金元素Ti、Nb入手，借助第一性原理计算的方法，探究其对钴基高温合金中γ'相的力学性能、结构稳定性、电子结构等性质的影响，从微观角度研究合金中各原子之间的相互作用情况，为提升具有有序沉淀强化相的新型钴基高温合金的性能提供理论基础。 计算了Co3(Al，W)及掺杂了Ti和Nb的Co3(Al，W)的形成焓，发现它们均为负值，表明该结构稳定。其中，Ti和Nb对W6位置表现出最强的占据倾向，其次是Al2位置。在态密度(DOS)图中，所有费米能级处的DOS值非零，表明掺杂前后的体系皆具有导电性。费米能级所处位置在赝能隙谷型结构的左侧或者谷底，说明Co3(Al，W)、Co3(Al，W,Ti)、Co3(Al，W, Nb)是稳定的。Ti、Nb对Co和W的DOS影响较小，对Al的DOS影响较大。其中，Ti或Nb占据W6位置和占据Al2位置相比，在占据前一位置时Al的DOS比后者大，赝能隙比后者窄，故Ti或Nb占据W6位置的体系比Ti或Nb占据Al2位置的体系稳定，且具有更强的金属特性。Co3(Al，W)相和Co3(Al，W,X)((X=Ti、Nb)相均满足机械稳定性条件，具有较好的延展性。当Ti、Nb占据W6位置时，γ'相抗体积变化和形状改变的能力减弱，硬度降低，塑性提高，产生裂纹和脆断的可能性减小;当Ti、Nb占据Al2位置时，结果相反。 计算了Co3(Al，Mo，Nb)、Co3(Al，Mo，Nb，Ti)的形成焓，发现Nb、Ti可以稳定γ'相。对于Co3(Al，Mo，Nb)，Nb倾向于占据Mo位置，尤其是Mo4位置。对于Co3(Al，Mo，Nb，Ti)，Ti、Nb偏向于同时占据Mo位置，其次是各自分别占据Mo位置和Al位置，最后是同时占据Al位置。在态密度(DOS)图中，费米能级处在赝势隙的底部或者左侧，表明γ'相结构稳定。对于Co3(Al，Mo，Nb，Ti)，Al、Mo、Nb、Ti原子间的杂化作用主要发生在-4.5eV～-0.22eV，Co、Mo、Nb、Ti原子间的杂化作用主要发生在-1eV附近。Co3(Al，Mo,Nb)、Co3(Al，Mo,Nb，Ti)满足机械稳定性条件，均具有较好的延展性。其中，对于Nb占据Mo4位置的Co3(Al，Mo，Nb)和Nb、Ti占据Mo3位置的Co3(Al，Mo，Nb，Ti)，其体积模量与剪切模量之比的值和泊松比的值均大于Co3(Al，W)和Co3(Al，Mo)的这两项值，因此Nb、Ti改善了γ'相的延展性。此外，提升后的这两项值和基体Co的这两项值相差较小，有利于钴基高温合金的变形协调性。Nb、Ti还降低了γ'相的抗变形能力、硬度等，尤其在Nb、Ti占据Mo3位置时这些性质减弱最多。
钴基高温合金;γ'相;力学性能;电子结构;第一性原理
山东大学
硕士
材料物理与化学
张建新
2021
中文
TG146.16
2021-08-30（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）