杂质浓度对Zr替位掺杂γ-TiAl合金的结构延性和电子性质的影响

以Zr替代Ti(或Al)掺杂γ-TiAl体系为研究对象, 掺杂浓度(摩尔比)分别为1/54, 1/36, 1/24和1/16. 采用基于密度泛函理论的第一性原理方法, 计算研究了Zr掺杂γ-TiAl体系的晶体结构及其稳定性、延性和电子性质等. 结果显示, Zr替位掺杂, 可以改变γ-TiAl基合金的结构对称性. 计算的形成能表明, Zr替代Ti原子会使体系的形成能降低, 而Zr替代Al原子会使体系的形成能增加. 因而, 在掺入γ-TiAl时, Zr更倾向于替代Ti 原子, 但是Zr替代Al原子也具有一定的可能性, 从而会产生多样的掺杂体系, 对于改善合金的性质具有重要意义. 对各个体系轴比的计算与分析表明, 当掺杂浓度为1.85 at%–6.25 at% 时, Zr替代Al原子会使体系的轴比减小、接近于1, 从而改善合金的延性效果明显. 能带结构显示各个Zr掺杂γ-TiAl体系均具有金属导电性. 对电子态密度和布居数的分析表明, Zr替代Al原子后, Zr与其邻近Ti原子的共价键结合强度大为降低, 导致合金体系中的Ti-Al(Zr)键的平均强度明显减弱, 金属键增强, 这是改善γ-TiAl合金延性的重要因素.     

Nb掺杂对γ-TiAl抗氧化能力影响的第一性原理研究

添加Nb被证实是提高TiAl合金抗氧化能力最有效的途径之一,但对于其机理仍然存在一些相互矛盾的解释.运用第一性原理方法对γ-TiAl氧化过程中存在的几种重要点缺陷杂质进行了系统的研究.在确定杂质的稳定结构基础之上,研究发现：γ-TiAl中Nb掺杂的形成能随着含量的增加而升高,导致γ-TiAl相的稳定性降低,对抗氧化性能造成不利影响;而间隙O和Ti空位的形成能随Nb掺杂量的增加而显著升高,因此Nb能有效地降低氧扩散及空位缺陷的进入,从而提高γ-TiAl的抗氧化性能;Nb掺杂对降低杂质含量的作用存在明显的局域特性,是一种近程作用,因此Nb在γ-TiAl中的作用与其含量和分布有关. 关键词： γ-TiAl 高温氧化 Nb掺杂 形成能     

金属元素掺杂对TiAl合金力学性能的影响

利用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了金属元素X (X分别表示V, Nb, Ta, Cr, Mo和W)掺杂对TiAl合金性能的影响. 研究发现, 掺杂可以有效减小合金的各向异性, 增强Ti-Al 原子间的相互作用, 同时增强金属键性, 减弱共价键性, 有利于塑性变形. 在相同的压力下, 不同的掺杂浓度和掺杂元素对体积的影响不同. 通过计算不同掺杂体系的弹性常数、体弹模量和剪切模量可知: 当掺杂浓度为6.25%时, 相对于V, Nb和Ta, Cr, Mo和W掺杂能较好地改善TiAl金属间化合物的韧性; 当掺杂浓度为12.5%时, 相对其他掺杂元素Mo的韧化作用最强. 从Mo掺杂后TiAl体系的分波态密度和电荷密度图, 发现Mo和Ti 原子发生强烈的s-s, p-p, d-d电子相互作用, 有效地束缚了合金中Ti和Al原子的迁移, 有助于提高合金的稳定性和强度.     

Nb掺杂影响NiTi金属间化合物电子结构的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理平面波超软赝势方法,计算了Nb元素掺杂对B2构型NiTi金属间化合物电子结构的影响.点缺陷生成能的计算结果表明,Nb原子掺杂后,NiTi中产生Ni原子和Ti原子空位和反位点缺陷所需要的能量均明显升高;态密度计算结果表明,Nb原子掺杂后与临近原子发生了明显的s-s, p-p和d-d电子相互作用,增加了与临近原子之间的电荷密度,有利于Nb与合金原子的成键.这些由Nb掺杂所导致的NiTi电子结构和键合特征的变化均有利于促进Nb与合金原子的相互作用,在一定程 关键词： NiTi金属间化合物 点缺陷 电子结构 第一性原理计算     

γ-TiAl中Nb和Mo合金化效应的第一性原理研究

基于密度泛函理论框架下的第一性原理离散变分(DV)和DMol方法研究了4d过渡金属元素在γ-TiAl 中的择优占位行为及其Nb和Mo的合金化效应.转移能的计算结果表明Y，Zr，Nb，Mo在γ-TiAl中有Ti占位倾向，而Tc，Ru，Rh和Pb则表现为Al占位倾向.通过对差分电荷密度、Mulliken轨道集居数以及态密度的分析表明Nb和Mo可以提高杂质元素与其近邻基体元素之间的相互作用和相应原子之间的键合强度，导致较强的固溶强化效应. 关键词： 密度泛函理论 第一性原理 电子结构     

Ti,Cu和Zn掺杂AlN纳米片电磁性质的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论(DFT)的全势线性缀加平面波法(FP-LAPW)研究了过渡金属Ti,Cu,Zn掺杂Al N纳米片的电子结构、磁性和稳定性.结果表明,Ti,Cu,Zn单掺杂均表现出半金属铁磁性,磁性主要是由于杂质原子的3d态与近邻N原子的2p态的轨道杂化.形成能的计算结果表明Ti掺杂Al N体系相对Cu和Zn掺杂结构更稳定.因此,相比于Cu和Zn,Ti掺杂Al N纳米片更适合用来制作稀磁半导体.     

Ti和Al共掺杂ZnS的电子结构和光学性质

基于密度泛函理论的第一性原理研究Ti和Al单掺杂和(Ti,Al)共掺杂ZnS的能带结构、电子态密度分布、介电函数、光学吸收系数,分析了掺杂后电子结构与光学性质的变化.计算结果表明:掺杂后禁带中引入了新的杂质能级,费米能级进入导带.掺杂改变了ZnS晶体的导电特性,使它表现出金属特性,导电性能增强;与纯净ZnS相比,Ti单掺杂和(Ti,Al)共掺杂ZnS的吸收边均出现明显的红移,且在1.79eV左右出现了一个新峰;而Al单掺杂ZnS的吸收边则发生明显的蓝移,且不产生新的吸收峰.     

硅和钇双掺杂对γ-TiAl基合金稳定性和抗氧化性的影响

改善TiAl基合金的高温抗氧化性,对于拓展其应用领域具有重要意义.本文采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,从原子平均形成能、弹性常数、间隙O原子的形成能、Ti空位和Al空位的形成能等方面研究了Si和Y替位双掺杂对γ-TiAl基合金抗氧化性的影响.结果显示,各个双掺杂γ-TiAl体系的原子平均形成能均为负值,表明体系具有能量稳定性,理论预报它们均可以由实验制备,其中大多数体系的弹性常数满足力学稳定性判据.对于满足力学稳定性条件的体系,综合间隙O原子的形成能、Ti空位和Al空位形成能的分析结果,揭示Si和Y均替位Ti生成体系Ti_6SiYAl_8对改善抗氧化性效果明显;Y替位Ti且Si替位Al生成体系Ti_7YAl_7Si,Si替位Ti且Y替位Al生成体系Ti_7SiAl_7Y对改善抗氧化性具有不确定性;Si和Y均替位Al生成体系Ti_8Al_6SiY不利于改善抗氧化性.     

Cr、Mn、Co、Ni掺杂对Al13Fe4相稳定性和力学性能影响的第一性原理研

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,系统地研究了不同掺杂浓度下过渡族元素Cr、Mn、Co、Ni在Al13Fe4相中的占位情况、结构稳定性和机械性能. 计算得到所有的Al13(Fe24-xMx) (M=Cr、Mn、Co、Ni;X=1,2,4)相都具有良好的热力学稳定性和机械稳定性. 相同掺杂浓度化合物的形成焓按如下顺序减小：Al78(Fe24-xCrx) > Al78(Fe24-xMnx) > Al13Fe4 > Al78(Fe24-xNix) > Al78(Fe24-xCox).形成焓的降低增加了Al13Fe4相成核驱动力,Co和Ni有利于促进Al-Fe合金中Al13Fe4相形核,细化Al13Fe4相. 过渡族元素可以改善金属间化合物的脆性,增强塑性变形能力. 并且随着掺杂浓度的增加,过渡族元素的加入对脆性的改善呈先增大后减小的趋势.     

Nb掺杂对TiO2/NiTi界面电子结构影响的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法,计算了Nb掺杂对TiO₂/NiTi界面电子结构的影响.体系生成能的计算结果表明,4种TiO₂/NiTi界面结构中,NiTi中Ti原子和TiO₂中O原子相邻的界面,即Ti/O界面的生成能最大,结构最稳定.在Ti/O界面结构优化的基础上,态密度、电荷分布以及集居数的计算结果均表明：Nb原子取代界面上的Ti原子后,界面原子之间的结合力增强,且界面附近的基体和氧化层中原子之间的相互作用也增加,有利 关键词： NiTi金属间化合物 2/NiTi界面')" href="#">TiO₂/NiTi界面 电子结构 第一性原理计算     

Nb-Ti-Al合金高温氧化机理电子理论研究

采用递归法计算了Nb合金的电子态密度、原子镶嵌能、亲和能和团簇能等电子结构参数,研究Nb合金高温氧化机理.研究表明,氧在Nb合金表面的吸附能较低,易在合金表面吸附,并逐渐扩散到Nb合金的基体中.氧在合金基体中镶嵌能为负值,氧的态密度和Nb相似,在Nb中具有很高的溶解度.Ti,Al在合金晶内的镶嵌能均高于各自在合金表面的镶嵌能,Ti,Al从合金内部向合金表面扩散,最终在Nb合金表面偏聚,形成富Ti,Al的表层.团簇能计算结果表明Nb合金表面的Ti,Al原子各自均有聚集倾向,分别形成Ti和Al原子团.氧与合金     

难熔元素钨在NiAl位错体系中的占位及对键合性质的影响

用第一性原理离散变分方法研究了难熔元素钨(W)在金 属间化合物NiAl<100>(010)刃型位错体系中的占位以及对键合性质的影响, 计算了纯位错体系和掺杂体系的能量参数(结合能、 杂质偏聚能及原子间相互作用能)、 态密度和电荷密度分布. 体系结合能和杂质偏聚能的计算结果表明: 难熔元素W优先占据Al格位. 此外,由于难熔元素W的4d轨道与近邻基体原子Ni的3d轨道和Al的3p轨道的杂化, 使得掺杂体系中难熔元素W与近邻基体原子间的相互作用能加强; 同时难熔元素W与位错芯区近邻基体原子间有较多的电荷聚集, 这表明W与近邻基体原子间形成了较强的化学键. 难熔元素W对NiAl化合物的能量及电子结构有较大的影响, 从而影响位错的运动及NiAl金属间化合物的性能. 关键词： 电子结构 位错 金属间化合物 杂质     

Energetics and electronic structure of refractory elements in the dislocation of NiAl

Using DMol and the discrete variational method within the framework of the density functional theory,we study the alloying effects of Nb,Ti,and V in the [100](010) edge dislocation core of NiAl.We find that when Nb(Ti,V) is substituted for Al in the center-Al,the binding energy of the system reduces 3.00 eV(2.98 eV,2.66 eV).When Nb(Ti,V) is substituted for Ni in the center-Ni,the binding energy of the system reduces only 0.47 eV(0.16 eV,0.09 eV).This shows that Nb(Ti,V) exhibits a strong Al site preference,which agrees with the experimental and other theoretical results.The analyses of the charge distribution,the interatomic energy and the partial density of states show that some charge accumulations appear between the impurity atom and Ni atoms,and the strong bonding states are formed between impurity atom and neighbouring host atoms due mainly to the hybridization of 4d5s(3d4s) orbitals of impurity atoms and 3d4s4p orbitals of host Ni atoms.The impurity induces a strong pinning effect on the [100](010) edge dislocation motion in NiAl,which is related to the mechanical properties of the NiAl alloy.     

递归法研究Pt对Ti合金腐蚀影响

采用递归法计算了Ti及Ti合金的电子态密度、环境敏感镶嵌能、费米能级和格位能等电子结构参量.计算发现Pt在晶体中环境敏感镶嵌能和格位能高于表面,从电子层面证实Pt易在 Ti合金表面偏聚.偏聚在表面的Pt有序能为正值,故Pt以有序相（Pt与Ti的化合物）形式分布在合金表面.晶体表面Pt 与Ti的化合物电极电位较低,它与Ti形成微电池.在腐蚀介质的作用下,Pt与Ti的化合物分解,Pt沉淀到晶体表面造成Pt在合金表面形成凹凸不平的Pt电催化层.Pt电催化层加强Ti钝化作用,从而提高了Ti合金的抗腐蚀能力. 关键词： 电子结构 Ti合金表面 钝化     

The ab initio calculations of the doping Zr's influence on the electronic structure of AlCo2Ti

The electronic structures of the ternary (Hume-Rothery) L2₁-phase compound AlCo₂Ti are calculated by first-principles using full potential linearized augmented plane wave (FLAPW) method with the generalized gradient approximation (GGA). The ab initio results are analyzed with a simplified model for Al-based compounds containing transition metal (TM) atoms. The results show that the total DOS depends strongly on the positions of TM atoms, and the TM d DOS plays a crucial role in hybridization with other element valence electrons. However, the Al 3s states are repelled far away from the Fermi energy in studied sample, and the Al 3d states are far more extended-like in the character than the d states. Furthermore, the total DOS_s are modulated by Al 3p states and the Al 3p states are more sensitive than d states to change in the electronic interactions. Then, the Al 3p is also important for the ternary stability of the intermetallic compound. The Co-Ti interaction becomes stronger by the doping element Zr in the Al₄Co₈Ti₃Zr structure. Especially, the doping Al₄Co₈Ti₃Zr alloy has a larger value DOS at the Fermi level and makes the total DOS gap smaller than the AlCo₂Ti.     

Al原子在Pb基底上的沉积过程研究

利用分子动力学方法模拟了Al原子在Pb基底上的沉积过程. 对Al原子在Pb基底(001)面上沉积的形态与Pb原子在Al(001)基底上沉积的形态做了比较. 由于界面间势垒的不同, 两个体系界面间的形态有明显的差异. 分析了基底温度、基底晶面指向、沉积原子的入射动能对界面间原子混合的影响. 模拟结果显示: 随着基底温度升高, 基底原子的可移动性大大增加, 与沉积原子发生较大程度的混合; 入射能的改变对界面间原子的混合影响很小; 基底表面取不同的晶格指向时, 基底与沉积原子间的混合行为也有明显的不同. 利用径向分布函数分析了沉积原子的入射能对薄膜中原子排列有序性的影响. 较高入射能对应更有序的薄膜结构; 由径向分布函数的结构可以推测Al原子在Pb(001)基底表面沉积时界面间可能有金属间化合物生成. 关键词： Pb/Al体系 沉积过程 分子动力学 入射能