超强β型钛合金的最优化设计及其性能模拟

The development of new titanium alloy with strength higher than 1300 MPa is the most important subject for aerospace technologies and Marine equipment. The key parameters for the new type β-titanium alloy are the chemical composition and their concentrations. The problem for theoretical design the β-titanium alloy is the lacking of quantitative description for the chemical composition and their concentrations. Hence, it is very important to develop a new algorithm and mathematical model for the design of the new type β-titanium alloy. In this project, we will determine the relative strength for the alloy element as β-stabilizer and α-stabilizer through the first-principle calculations. The influence of the chemical composition and their concentrations on the mechanical properties are investigated by virtue of construction alloy models. With above confinement conditions, we will establish an optimization model for the chemical composition and their concentrations of the β-titanium alloy. Considering the cooperation effect of the alloying elements in titanium alloy, we will further optimize the chemical composition and their concentrations through iterative approach. Furthermore, we will discuss the alloying elements and the interfacial effects on the mechanical properties for the new designed β-titanium alloy, involving the segregation, diffusion, distribution of the alloying element. Our investigation will give guidance for designing high strength β-titanium alloy.

研制1300MPa级以上的新型低成本高性能钛合金是当前航天航空及海洋先进装备的重要发展方向，而合金的成分与浓度的控制是新型高强β-钛合金设计的关键。计算导向高强β-钛合金设计的障碍是缺乏控制合金成分及其浓度的定量描述。因此，急需发展新算法、建立新模型为设计新型高强β-钛合金提供服务。本项目拟通过第一性原理计算，探讨β稳定合金元素与α稳定合金元素的Mo当量和Al当量，建立合金成分、浓度与结构的关联；建立微观结构模型，探讨合金成分、浓度与钛合金力学性能之间的耦合关联；通过上述关联函数，建立合金成分、浓度的最优化模型，指导高强β-钛合金设计；考察合金元素间的协同效应，通过多次迭代，对优化模型进一步修正。在此基础上，进一步探讨合金元素的偏聚、金属间化合物的偏析以及共晶格孪晶界面对新型高强β-钛合金力学性能的影响。本项目研究为设计新型高强β-钛合金提供了理论指导。

研制1300MPa级以上的新型低成本高性能钛合金是当前航天航空及海洋先进装备的重要发展方向，而合金的成分与浓度的控制是新型高强β-钛合金设计的关键。计算导向高强β-钛合金设计的障碍是缺乏控制合金成分及其浓度的定量描述。因此，急需发展新算法、建立新模型为设计新型高强β-钛合金提供服务。本项目拟通过第一性原理计算，探讨β稳定合金元素与α稳定合金元素的Mo当量和Al当量，建立合金成分、浓度、与结构的关联，建立微观结构模型；探讨合金成分、浓度与钛合金力学性能之间的耦合关联，建立合金成分、浓度的最优化模型，为指导高强β-钛合金的设计提供依据。在此基础上，进一步探讨合金元素的偏聚、金属间化合物的偏析以及共晶格孪晶界面对新型高强β-钛合金力学性能的影响。为设计新型高强β-钛合金的设计提供理论指导。在本项目的资助下，我们（1）系统研究了不同铁元素浓度对β型铁钛二元合金的结构、弹性性质和电子结构性质的影响，结果表明，合金的晶格常数、形成能随铁元素浓度的增加而减少，相关力学性能随铁元素浓度的增强而增强，我们的研究为设计新型高强β-钛合金的应用提供了理论依据；（2）研究了合金元素组成及其浓度对二元β-钛合金弹性性能的影响,结果表明,过渡金属元素普遍增强了钛合金的弹性性能，我们的研究为针对结构-性能之间的关联设计高性能钛合金提供了理论指导；（3）研究了氢对钛晶界强度的影响，揭示了氢在钛晶界中扩散并脆化材料的过程与机理，结果表明，氢具有很强的驱动力从块体偏析到界面附近，氢的偏析导致了钛晶界强度的削弱，为氢与钛晶界相互作用导致的脆化现象提供了新的理解；在本项目的资助下，我们全面开展项目申请书规定的研究计划和内容，公开发表sci学术论文20篇，培养研究生11名，资助11名学生参加国内学术会议，组织5次全国性学术会议。