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Ti Al系金属间化合物的氢脆机理李 文1 关振中1 张瑞林2(1.中国科学院长春光学精密机械研究所 长春 130022)(2.吉林大学 长春 130023)摘 要 根据固体与分子经验电子理论分析计算了T i-A l系金属间化合物及含氢各相的价电子结构与解理能。
结果表明,T i3Al的氢脆是由于高氢含量下易生成 脆性相引起的,而T iA l的氢脆是由于固溶氢减弱了含氢T iA l晶胞主干键并降低了解理能引起的。
同时解释了一些尚有矛盾的实验结果,并提出了一些解决氢脆的实际方法。
关键词 T i-Al系 金属间化合物 价电子结构 氢脆 Ti-Al系金属间化合物有极好的高温力学性能,并且密度与价格又很低,因而是航空航天发动机新一代候选结构材料。
但室温脆性一直是Ti-Al系金属间化合物投入商用的主要障碍。
在一般使用的环境气氛下,特别是氢在温度等外因催化下将使这一问题更加严重,从而引起极其恶劣的所谓环境脆性(Environmental Embrittlem ent-EE)[1,2]。
已进行过一些关于氢对T i-Al系金属间化合物力学性质特别是脆性的影响研究。
结果表明,H与Ti 的亲和力极大而与Al的亲和力极小[3],因而TiAl3溶氢量最大,室温时引起脆性的可能性也最大,而Ti3Al 因难以溶氢几乎无氢脆问题,至于T iAl氢脆的危害程度甚至是否有氢脆,因为实验结果不一致,尚没有肯定的结论[2,4]。
本研究应用固体与分子经验电子理论(又称余氏理论,简称EET)[5]分析计算了氢对T i-Al系金属间化合物主要是Ti3Al和TiAl价电子结构的影响,试图弄清其氢脆机理,并提出解决氢脆的有效途径。
1 价电子结构分析由EET的键距差分析方法计算合金相的价电子结构必须已知晶体结构及晶格常数。
TiAl为Ll o型超结构,空间群为P4/mmm。
晶格常数a=0.40050nm, c=0.40707nm。
参照Ti-Al合金其它相的原子杂阶[6]可确定T iAl中Ti与Al的原子杂阶分别为 Ti=A14, A l=4,最后由键距差分析方法经过计算机处理求得TiAl的价电子结构。
不同温度下tial金属间化合物动态力学性能的研究
Ti-Al金属间化合物的动力学性质是其影响用途的主要指标之一，例如飞机发动机关键部件和自动化装备的材料选择。
因此，了解不同温度下Ti-Al金属间化合物力学性能的动态变化趋势，具有重要意义。
本研究通过室温至高温条件下实验研究Ti-Al间化合物的TVT完整实验，可以模拟Ti-Al金属间化体材料受力或承载行为，研究Ti-Al金属间化体材料受力或承载行为的影响。
研究的结果表明，Ti-Al间化合物的动态性能受温度的影响有明显的变化，当温度升高时，Ti-Al 金属间化体的弹性模量和抗张强度显著降低，当温度升高时，Ti-Al间化合物的断裂韧性显著增加，这对于Ti-Al间化合物在微观结构和力学行为中的表征提供了重要参考。
tial 基金属间化合物热处理
基金属间化合物是指由两种或多种金属原子按照一定的比例和排列方式组成的
化合物。
热处理是一种通过控制温度和时间来改变材料结构和性能的方法。
对于基金属间化合物的热处理，常见的方法有固溶处理、时效处理和再结晶处理。
固溶处理是将基金属间化合物加热至固溶温度，使其形成固溶体。
这可以改变材料的晶体结构，消除缺陷和杂质，并提高材料的塑性和韧性。
时效处理是在固溶处理的基础上，将材料冷却到室温后再加热一段时间。
这可以在固溶体中形成一些强化相，增加材料的硬度和强度。
再结晶处理是将基金属间化合物加热至超过其材料的再结晶温度，然后迅速冷却。
这可以改变材料的晶体结构，消除应力和缺陷，并提高材料的塑性和韧性。
此外，还有一些其他特殊的热处理方法，如等温退火和循环热处理，可以根据具体的材料和需求进行选择和优化。
总之，基金属间化合物的热处理可以通过改变材料的晶体结构和组织来改善材料的性能，使其更适合特定的应用领域。
５０材料丁程／２００９年１２期ｌ实验方法实验基材为Ｔｉ一２４Ａ１—１７Ｎ卜ｏ．５Ｍｏ（原子分数／％）。
合金尺寸为１５ｍｍ×１０ｍｍ×２．５ｍｍ。
样品用６００‘砂纸打磨，用丙酮超声波清洗。
利用ＳＢＨ一５１１５Ｄ磁控溅射仪在合金基体上沉积Ｔｉ一４８Ａｌ一８Ｃｒ一２Ａｇ涂层，沉积参数和涂层的结构组织与文献［１３］中相同。
热腐蚀采用浸盐法，实验温度为９００℃。
盐的成分为２５％Ｎａ２Ｓ０。
＋７５％Ｋ２Ｓ（）。
（质量分数，下同）。
将样品完全浸于熔盐中，每隔一定时间取出，空冷至室温，用沸水煮去试样表面的盐，在灵敏度为１０１ｇ的天平上称量后换新盐继续实验。
利用带能谱的扫描电镜（ＳＥＭ／ＥＤＸ），透射电镜（ＴＥＭ）对腐蚀膜进行观察分析。
电化学腐蚀在Ｎａ：Ｓ０。
（２５９／Ｌ）＋Ｋ：Ｓ０。
（７５９／Ｌ）溶液中进行，主要利用Ｃｓ３００型电化学工作站进行动电位扫描，体系选用三电极系统，将样品作为工作电极，参比电极选用甘汞电极、铂黑电极作为辅助电极，极化范围相对开路电位±ｏ．２Ｖ，扫描速度ｏ．５ｍＶ／ｓ。
２结果和分析图１是Ｔｉ。
Ａ１合金及其涂层样品在２５％Ｎａ。
Ｓ０。
＋７５％Ｋ：Ｓ０。
９００℃熔盐中腐蚀的动力学曲线。
Ｔｉ。
Ａ１合金在初始阶段快速增重，但在５ｈ后有明显的腐蚀失重现象，在３０～５０ｈ期间，仍然有腐蚀失蕈，但失重的速度在减缓。
这可能是因为最初合金表面形成腐蚀膜，５ｈ后腐蚀膜达到一定厚度开始剥落，致使动力学曲线出现明显的失重现象，这与后面的ＳＥＭ图像相吻合。
之后失重速度减缓，可能足因为在剥落的同时内层暴露出来又生成新腐蚀物的缘故。
当施加涂层的样品在相同条件下进行腐蚀对比实验，没有任何失重现象，而曲线呈现相对比较平滑缓慢的上升趋势。
图２是Ｔｉ３Ａｌ合金在２５％Ｎａ２Ｓ（）４＋７５％Ｋ２Ｓ（）４图１试样在２５％Ｎａ２ＳＯ＾＋７５％Ｋ２Ｓ０４熔盐巾９００℃的腐蚀动力学曲线Ｆｉｇ．１Ｃｏｒｒｏｓｉｏｎｋｉｎｅｔｉｃｓｏｆｔｈｅａｌｌｏｙａｎｄｔｈｅｃｏａｔｉｎｇｉｎｍｏｌｔｅｎ（Ｎａ，Ｋ）２ＳＯ｛ａｔ９００℃９００℃熔盐中腐蚀５ｈ的表面形貌，经过５ｈ的腐蚀后，表面发生大面积脱落，此现象正好与动力学曲线相吻合。
[转载]金属间化合物高温材料1、Ti－Al系金属间化合物结构材料Ti-Al系金属间化合物合金由于其密度低，比强度、比刚度高以及优良的高温性能是航空、航天飞行器理想的新型高温结构材料。
研制成功的Ti-Al系金属间化合物材料包括：Ti3Al基、Ti2AlNb基和TiAl基等金属间化合物。
合金的综合力学性能和工艺性能均达到了国际先进水平。
这类新型的轻质高性能高温结构材料已应用于我国航天、航空和兵器等领域。
新研制的在500℃使用的Ti-Al-Mo-Cr-V钛合金在高温强度、抗热冲击和抗疲劳断裂等方面也具有独特的优势。
2、Ti3Al基系列合金Ti-Al中心研制成功两种Ti3Al基合金（TAC-1和TAC-1B），这两种Ti3Al基合金的力学性能和工艺性能全面超过美国的同类合金水平.TAC-1B在-100℃的低温条件下仍有良好的拉伸塑性。
因此该合金使用的温度范围为：-100℃～700℃。
TAC-1和TAC-1B合金具有优良的热、冷加工性能、机械切削性能，能加工成饼、棒、管、板箔等各种型材，并具有优异的超塑成形、扩散连接以及熔化焊接性能。
它们已是具有工程意义的先进高温轻质结构材料，在航天航空等领域应用极具潜力。
3、Ti2AlNbTi-22Al-24Nb-3Ta、Ti-22Al-20Nb-7T a和Ti-22Al-25Nb等Ti2AlNb基系列合金具有工程应用意义的Ti2AlNb基合金具有高强、高韧、高蠕变抗力和低缺口敏感等特点，可部分替代高温合金制作宇航高性能发动机的涡轮盘，减重35～40％，从而能大大提高航空发动机的推重比。
Ti2AlNb 基合金箔材与SiC纤维增强制做复合材料，可作为航天飞机的蒙皮及发动机部件用材，其成本和重量都低于传统设计。
钢铁研究总院Ti-Al中心研发的Ti2AlNb基系列合金、其综合性能均好于美国的类似合金。
目前可以为用户提供不同规格尺寸的棒材、饼材和薄板材。
4、TiAl基合金TAC-2（Ti-46.5Al-2.5V-1Cr (at%)）5项发明专利钢铁研究总院TiAl研究中心研制的TAC-2合金（密度为3.9g/cm3）具有很高的塑性水平,有利于工程化应用。
摘要Ti-Al合金是一类倍受人们关注的重要材料，由于它具有优异的物理性能，因此它在航空航天、汽车制造等领域有着广泛而重要的应用。
在Ti-Al合金的设计和应用中，往往需要对其有关力热性能和电子结构有较深入的了解和掌握，因此“Ti-Al金属间化合物的力热性能及其能带计算”论文具有重要的理论意义与价值。
本文针对Ti-Al合金中的TiAl、TiAl2、TiAl3、Ti3Al金属间化合物的有关力热性能和能带，采用基于密度泛函理论的第一性原理以及Materials Studio软件中的CASTEP软件包进行了理论计算。
在计算过程中，首先利用广义梯度近似（GGA）中的PBE方法，对晶体的结构进行了几何优化，得出了平衡晶格常数。
在此基础上，利用生成热和结合能相应的公式，计算得到了四种金属间化合物的生成热、结合能的具体数值。
利用广义梯度近似（GGA）中的PW91方法对Ti-Al合金的各个相的弹性系数进行计算。
以及对电子能带和电子态密度曲线进行了计算，并对计算结果进行了理论分析。
计算结果表明：在上述四种金属间化合物中，由生成热、结合能的计算结果比较得出，在Ti-Al合金的四个相中Ti3Al的合金化形成能力最强，而且结构也最稳定，通过对弹性系数的计算结果分析得出四种相的各种弹性系数，其中Ti3Al相呈韧性，且抗变形能力最强，刚性也最强，体现出良好的综合力学性能。
通过能带、态密度的计算与分析得出，上述四种合金都属于金属性材料，但是TiA13相的金属性较其另三种材料弱一些。
其结果与其他学者实验及理论研究的结果基本相符。
本文的计算结果为相关的理论及应用研究提供了有益的参考。
关键词：Ti-Al合金，密度泛函理论，第一性原理，热力性能，电子结构AbstractTi-Al alloy is one of the most important materials,which has been widely used because of its excellent physical properties.In the design and application of Ti-Al alloy, often need to have a deeper understanding and mastery of the relevant mechanical and thermal properties and electronic structure,Therefore,the paper has important theoretical significance and value in the calculation on mechanical and thermal propertiesand energy band of intermetallic compounds in Ti-Al.The mechanical and thermal properties and energy band of the intermetallic compounds TiAl,TiAl2,TiAl3and Ti3Al in the Ti-Al alloys were theoretically calculated based on density functional theory(DFT)and first principles,using the software package of CASTEP of Materials Studio.In the process of calculation,firstly,the crystal structure of GGA is optimized by using the PBE method in the generalized gradient approximation. On this basis,the formation enthalpy and cohesive energy of four kinds of intermetallic compounds were calculated by using the corresponding formulas of heat and energy.The elastic coefficient of each phase of Ti-Al alloy was calculated by the PW91method in the generalized gradient approximation(GGA).The electron energy band and electron state density curves are calculated,and the results are theoretically analyzed．The calculation results show that the compounds in the four kinds of metal,the heat of formation,the binding energy calculation results shows that the formation of the strongest in the four phase of Ti-Al alloy Ti3Al alloy,and the structure is the most stable,through the calculation of the elastic coefficient of the four phase of the analysis of various elastic coefficient.The Ti3Al phase is toughness,and anti deformation ability is the strongest, rigidity is also the strongest,shows good mechanical properties.Through the calculation and analysis of the energy band and the density of States,the above four kinds of alloys belong to metallic materials,but the metallicity of TiA13is weaker than that of the other three materials.These results are consistent with the conclusions given by other criteria.The results of this paper provide a useful reference for the relevant theoretical and applied research.Key words：Ti-Al alloy,density functional theory,first principle,thermal performance，electronic structure目录摘要 (I)Abstract (II)第1章绪论 (1)1.1钛铝合金的特点和研究现状 (1)1.1.1钛、铝的基本特点 (1)1.1.2钛合金的基本特点 (3)1.1.3钛铝合金的结构及分类 (4)1.1.4Ti-Al合金的研究与发现 (4)1.2Ti-Al合金的应用前景 (5)1.3本课题目的、意义与工作设想 (7)1.3.1本课题目的 (7)1.3.2选题意义 (7)1.3.3工作设想及目标 (8)第2章密度泛函理论及Materials Studio软件 (9)2.1多粒子体系的Schrdinger方程 (9)2.2玻恩-奥本海默近似 (10)2.3哈特利-福克近似 (10)2.4密度泛函理论 (12)2.4.1霍亨伯格—孔恩定理 (12)2.4.2孔恩-沈吕九方程 (13)2.5局域密度近似（LDA）和广义梯度近似（GGA） (13)2.5.1局域密度近似（LDA） (13)2.5.2广义梯度近似（GGA） (14)2.6常用赝势 (15)2.7第一性原理 (15)2.8Materials Studio计算软件 (15)第3章Ti-Al合金的力热性能的计算 (18)3.1计算方法 (18)3.2计算模型 (19)3.3力热性能计算结果与分析 (21)3.3.1平衡晶格常数 (21)3.3.2生成热与结合能 (22)3.3.3弹性性质计算结果与分析 (23)3.4小结 (24)第4章Ti-Al合金的电子结构的计算 (25)4.1TiAl合金的电子结构计算及其分析 (25)4.2TiAl2合金的电子结构计算及其分析 (27)4.3TiAl3合金的电子结构计算及其分析 (29)4.4Ti3Al合金的电子结构计算及其分析 (31)4.5小结 (33)第5章结论 (35)参考文献 (36)在学研究成果 (39)致谢 (40)第1章绪论1.1钛铝合金的特点和研究现状1.1.1钛、铝的基本特点钛作为一种重要的结构金属在上世纪五十年代得到了大力发展，钛合金因为具有耐高温、耐腐蚀性强、强度高等优异的物理性能，从而被许多国家广泛研究与应用。
