若干过渡族金属及合金系统关键性能的第一性原理研究

【摘要】摘要：过渡族金属及其合金是应用最广泛的金属材料,现代很多新材料和新应用都来自过渡族金属及其合金,特别是新型可再生能源材料、高温耐腐蚀结构材料、新型电子材料等。“材料基因组计划”的提出,为研究过渡族金属及其合金新材料提供了新的途径,特别是对于过渡族金属中的贵金属元素及其合金,通过第一性原理计算能够得到过渡族金属及其合金的大量性能数据,从而为新材料发现、设计和应用打下坚实基础。有鉴于此,本文通过第一性原理计算系统研究了三种过渡族金属及其合金系统：钛氢系统、钨铜合金以及铱基耐超高温超合金。主要结果如下：(1)钛氢系统：确定了钛氢系统TiHx(1≤x≤2)在整个成分范围内的基态结构、氢占位、电子结构、力学性能和热学性能等,计算结果与文献中存在的实验值自洽,解决了文献中一直存在的相稳定性、氢占位以及氢脆的矛盾,同时计算结果将直接补充到钛基储氢材料数据库中。同时,本文通过G/B值分析了钛氢系统的脆/韧性,发现TiHx(1≤x≤2)中脆性相主要是氢含量为1.5<x≤2时的6相和Y相,当氢含量为1.5<x≤2时,6和ε相则具有一定的韧性。通过深入分析钛氢系统的电子结构,发现决定TiHx脆/韧性转变的主要原因是随着氢含量增加,电子成键由以共价性为主变为以金属性为主。其次,本文首次提出了TiHx(1≤x≤2)四方相变的两种分类方法。类型Ⅰ在四方相变路径上只有一个能量最小值,对应于δ→Y相变；类型Ⅱ在相变路径有两个能量极小值,分别对应于6→ε和δ→Y相变。深入分析发现,类型Ⅱ相变的本质是电子结构上出现的奇异性；相变驱动力是力学不稳定和非谐贡献；相变路径选择是二阶相变要求体积变化连续所致。类型Ⅰ相变的驱动力是立方结构内部由于氢原子的加入而导致的对称破缺提供。在本文中首次提出用泊松比(v13)来标识对称破缺的程度,发现泊松比(v13)的大小与四方相变后四方相c/a值的大小成正比。(2)钨铜合金：本文确定了钨铜合金在整个成分范围内的晶体结构：W100-xCux在成分为0≤x≤70时,最稳定结构为体心立方固溶体；在70<x≤100时,最稳定结构为面心立方固溶体。计算了获得了钨铜固溶体的热学和力学性能,发现钨铜固溶体拥有比纯钨和纯铜更优异的热学和力学性能。钨铜合金性能数据为开发和利用钨铜合金提供了最直接的参考。其次,纯钨与纯铜界面计算确定了(110)Cu/(110)W和(111)Cu/(110)W界面为铜沉积在钨上的稳定界面。两种稳定界面的界面能随沉积层数的改变而改变,在沉积为2层铜时,(110)Cu/(110)W的界面能要比(111)Cu/(110)W的界面能低,能稳定生长；沉积超过3层时,(110)Cu/(110)W的界面能要比(110)Cu/(110)W的界面能低,(111)Cu/(110)W成为稳定的界面,结果很好地解释了文献中的实验研究关于界面结构和功函数的矛盾性结果。同时,计算了钨铜梯度界面的能量和结合强度,表明在钨侧的界面结合强度高于在铜侧的界面结合强度,因而在钨侧梯度界面的设计有助于提高钨铜之间的结合。综合考虑界面结合强度、杨氏模量以及热膨胀系数,设计出了一种较为优化的梯度方案即纯钨和纯铜之间加入W8Cu1/W7Cu2/W6Cu3/Cu6W3/Cu8W1梯度,这一方案即保持钨铜间高的界面结合强度,又能极大缓解钨铜性能的差异。(3)铱基超合金：研究表明铱的脆性随压力增大而降低,在一定温度下随着温度升高而有所增加。通过比较铱与常见立方结构金属以及金刚石结构Ⅳ-A族半导体元素的力学性能、脆/韧性、电子结构等发现铱脆性机理与Ⅳ-A族半导体元素的脆性机理相似,从而为研究和解决铱的脆性提供一个新的思路。其次,本文获得铱与Ir3X(X=Ti、Zr、Hf和Nb)在一定温度下的热力学及力学性能。声子谱和电子能带计算表明铱与铌存在很强的相互作用,是Ir3X(X=Ti、Zr、Hf和Nb)强度较高脆性较大的材料。通过第一性原理预测得到了一定温度下的热力学性质(热容、焓、熵和吉布斯自由能等),为高性能铱基超合金的研究和设计提供可用信息,也可以作为铱基超合金的材料数据库。同时,本文计算了在一定温度范围内,热膨胀和成分变化对Ir/Ir3X(X=Ti、Zr、Hf和Nb)超合金的点阵错配度在一定温度范围内的影响规律,结果表明对点阵错配度起主要贡献的是成分变化,然后是热膨胀的贡献。其次、通过分析位错间距与第二相大小的关系,确定了在Ir/Ir3Ti和Ir/Ir3Nb将形成共格界面,在Ir/Ir3Zr和Ir/Ir3Hf中形成的为半共格界面,这一结果很好地解释了实验上观察到的现象,也能够作为重要参数用于超合金设计。
【作者】梁超平；
【导师】龚浩然；
【作者基本信息】中南大学，材料科学与工程，2013，博士
【关键词】第一性原理计算；过渡族金属；钛氢系统；钨铜合金；铱基超合金；

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