金属间化合物钛三铝和铌基高温合金氧化微观机理的第一性原理热力学研究

金属间化合物和合金材料氧化微观机理是开发和设计高温结构材料的理论基础。金属间化合物钛三铝和铌基高温合金具有低密度，高熔点和优良的机械性能是十分重要的高温结构材料。在高温服役过程中，对它们的高温抗氧化性能是提出了很高的要求。虽然人们在实验上对它们的氧化行为做了大量的研究，但是由于实验条件的复杂性和实验手段的限制，它们氧化的微观物理本质还不太清楚。本项目拟采用第一性原理和热力学相结合的方法，研究金属间化合物钛三铝和铌基高温合金氧化特征，构造它们表面氧化的第一性原理热力学相图，揭示它们氧化的微观机理。该研究可以为高温结构材料的抗氧化性能设计提供一定的理论基础。

本项目基于第一性原理和热力学相结合的方法，研究金属间化合物钛三铝和铌基高温合金氧化特征，构造它们表面氧化的第一性原理热力学相图，揭示它们氧化的微观机理。（1）结合第一性原理的计算和热力学公式，我们构造出钛三铝Ti3Al(0001)表面氧化的第一性原理热力学相图，解释了Ti3Al(0001)表面初期氧化生成一层薄薄的Al2O3膜的实验现象；并且发现在富氧的条件下，金属Ti和Al与氧气的竞争导致劈裂的双相热力学相图对应着非选择性氧化，揭示了Ti3Al(0001)表面氧化最终生成TiO2和Al2O3 两种氧化物的本质。（2）我们构造了铌基双相合金Nb-Nb5Si3表面氧化的第一性原理热力学相图，在富氧的条件下，O/Nb(110)系统比O/Nb5Si3(001)系统更加稳定，这表明金属Nb(110)表面最先被选择性氧化；接下来是在金属间化合物Nb5Si3(001)表面的Nb元素发生偏析和选择性氧化，这些结果可以很好的解释实验上Nb/Nb5Si3双相合金的氧化产物几乎都是铌的氧化物的现象。此外，我们的方法可以用来研究其它双相甚至多相复合材料氧化微观机理，可以预测多相合金的氧化行为和氧化产物。（3）我们构造了铌基单相二元合金Nb-X(110)表面氧化的第一性原理热力学相图，总结出了二元合金表面氧化的统一规律，据此规律就可以预测和判断任意一种二元合金的氧化行为。（4）我们还对高温结构材料金属二硼化物表面碳化微观机理以及金属氧化物的微观结构与性质进行了研究。本项目的研究成果为我们下一步更为深入研究高温结构材料氧化性质奠定了坚实的理论基础以及对其抗氧化性能的设计具有重要的指导意义。