钛铝合金LPSO相中的反相畴界及其对力学性能的影响

Antiphase domain boundary (APB) of LPSO phases in TiAl alloy possesses rich and novel structures, and also greatly influences the mechanical properties of TiAl alloy. Systematic study of APB can master the structures and formation mechanism from the microcosmic aspect, and reveal the mechanical properties of LPSO phases in TiAl alloy, and have some realistic meaning. This project is based on first-principles calculations. Combining the equation of state, crystallography information of various LPSO phases in TiAl alloy is studied. The structural features of APB are analyzed, and the quantitative relation model of antiphase boundary period parameter with crystallographic data is established. By stability study the ordering tendency of APB is revealed. The APB energy is accurate predicted, and the generalized stacking fault energy surfaces of main slip systems are built. Combining the evolution of electronic structure, the formation mechanism and micro-process of APB is revealed. Mechanical properties such as elastic constants, elastic modulus, idea strength, maximum strain, restoring force, Peierls stress, and so on, are studied. The association model of APB defective structure and mechanical properties parameters is established, and the physical essence of excellent mechanical properties of LPSO phases is clarified by electronic structure. The research results of this project strives to give a new approach of improving the properties of TiAl alloy, and provides some theoretical guiding for optimizing and designing and enlarging application of other metal materials.

钛铝合金LPSO相中的反相畴界不仅具有丰富新颖的结构形态，而且极大地影响了钛铝合金的力学性能，系统研究反相畴界能从微观层次掌握其结构形态及形成机制，并揭示钛铝合金LPSO相优异力学性能的物理本质，具有一定的现实意义。本项目基于第一性原理计算，结合状态方程研究钛铝合金中各种LPSO相的晶体学信息，分析反相畴界的结构特征，建立反相边界周期参数与晶体学参数的定量关系模型。通过稳定性研究揭示反相畴界的有序化趋势，精确预测反相畴界能并构建主要滑移体系的广义层错能面，结合电子结构的演变揭示反相畴界的形成机制及微观过程。研究弹性常数、弹性模量、理想强度、最大应变、回复力及Peierls应力等力学性能，建立反相畴界缺陷结构与力学性能参数的关联模型，通过电子结构阐明LPSO相优异力学性能的物理本质。项目的研究成果将为改善钛铝合金性能开辟新的途径，并为优化设计及推广运用其他金属材料提供一定的理论指导。

钛铝合金LPSO相中的反相畴界不仅具有丰富新颖的结构形态，而且极大地影响了钛铝合金的力学性能，系统研究反相畴界能从微观层次掌握其结构形态及形成机制，并揭示钛铝合金LPSO相优异力学性能的物理本质，具有一定的现实意义。鉴于超胞模型的复杂性及计算能力的有限性，之前尚缺乏钛铝合金LPSO相中反相畴界的系统研究，对反相畴界微观结构与力学宏观性能的关联研究则更少涉及。 .本项目基于第一性原理计算，结合状态方程研究了钛铝合金中各种LPSO相的晶体学信息，分析了反相畴界的结构特征，建立了反相边界周期参数与晶体学参数的定量关系模型。研究发现Al3Ti一维LPSO相的许多重要物理参数，如晶格参数、弹性常数、弹性模量、弹性各向异性、最大应变及原子成键等，都随着反相边界周期参数的增加呈现出有规律的变化趋势。通过稳定性研究揭示了Al3Ti合金反相畴界的有序化趋势，精确预测了L12结构的反相畴界能并构建了主要滑移体系的广义层错能面，结合电子结构的演变揭示反相畴界的形成机制及微观过程。研究表明位错成核与由两个完美共线1/2{001}<110>位错结合反相畴界组成的滑移是L12 Al3Ti的主要形变机制，负的反相畴界能揭示了相变的存在，即L12→D022。这也就解释了为什么在Al3Ti中最稳定的结构不是高对称性的L12而是D022。研究了钛铝合金LPSO相中弹性常数、弹性模量、理想强度及最大应变等力学性能，建立反相畴界缺陷结构与力学性能参数的关联模型，通过电子结构阐明LPSO相优异力学性能的物理本质。比如，结果表明L12 Al3Ti更倾向于剪切形变而不是拉伸断裂，而且在众多的滑移体系中{111}<11 ̅0>具有最低的理想剪切强度，因此L12 Al3Ti更倾向于往{111}<11 ̅0>方向剪切。.项目的研究成果将为改善钛铝合金性能开辟新的途径，并为优化设计及推广运用其他金属材料提供一定的理论基础，对开发广西丰富的矿产资源，发展落后民族地区的经济建设具有一定的现实意义。