钛合金中Omega相变及其对合金组织性能影响机理的研究

Titanium alloys have been increasingly used in aerospace field because they exhibit an attractive combination of properties including low density, high strength and good corrosion resistance. Therefore, it is of great interest to study the omega transformation and its effect on the microstructure and property in titanium alloys. In this project, principle of equiprobability, known as fundamental assumption in statistical physics, is used to deal with the multiple solutions of the empirical electron theory of solids and molecules (EET); the analysis model of valence electron structure of omega phase is constructed as well as the calculations of the statistical values of corresponding electron structure parameters are conducted by combining results from transmission electron microscopy, three-dimensional atom probe(3DAP) and energy dispersive X-ray spectrometer(EDS); the transformation mechanism of omega phase, omega morphology,the role of omega precipitates on the nucleation of alpha phase, the growth of alpha precipitates subsequent to omega assisted nucleation, and partitioning of alloying elements are studied by the use of the statistical values of electron structure parameters calculated with EET, achieving to disclose the mechanisms for omega transformation and its effects on microstructure and property of alloys at the electron (or atom) structure level. The above studied results will provide a theoretical basis for the microstructure control, performance optimization and composition design of titanium alloys.

因具有密度小、比强度高、耐高温、耐腐蚀等优良综合性能，钛合金在航空航天领域越来越得到广泛应用，因此研究钛合金Omega相变及其对合金组织、性能影响的机理具有重要实际和理论意义。本项目拟将统计物理中的"等概率原理"假设引入到"固体与分子经验电子理论"（简称EET）中解决EET理论多重解确定的困难；结合透射电镜显微观察、三维原子探针技术及X射线能谱仪分析等实验结果，建立钛合金Omega相电子结构分析模型并计算相应的电子结构参数统计值；通过利用EET理论计算的电子结构参数统计值，研究钛合金中Omega相变机制、Omega相形貌形成规律、Omega相在Alpha相形核中的作用、Omega相辅助形核后的Alpha相生长、合金元素分离规律等，在原子和电子结构层次上揭示钛合金Omega相变及其对合金组织、性能影响的物理机理。上述研究的完成将为钛合金的组织控制、性能优化及新型钛合金成分设计提供理论依据。

近年来，由于亚稳beta钛合金具有优良的综合力学性能，各领域对其需求也正稳步增加。因此，当前关于亚稳beta钛合金的相变（如omega相变）研究也备受关注。本项目拟将统计物理中的“等概率原理”假设引入到“固体与分子经验电子理论”（简称EET）中解决EET理论多重解确定的困难；结合透射电镜显微观察、扫描电镜、X射线衍射等实验结果，建立钛合金omega相电子结构分析模型并计算相应的电子结构参数统计值；通过利用EET理论计算的电子结构参数统计值，研究钛合金中omega相变机制、omega相形貌形成规律、omega相在alpha相形核中的作用、omega相辅助形核后的alpha相生长、合金元素分离规律等。获得的研究结果如下：在理论研究方面，本项目将“等概率原理”和“自洽迭代法”引入到EET理论中，建立了自洽键距差（SCBLD）法，计算了78种固体的平衡晶格常数，并根据第一性原理的计算结果考核验证了SCBLD法的可靠性，该种方法同时解决了EET理论多重解及计算精度低和计算过程依赖实验值的问题；对EET理论中的结合能计算公式进行改进，提出了基于SCBLD法的结合能计算方法，并计算了44种固体的结合能，计算结果同局域密度近似（LDA）、变分蒙特卡罗（VMC）及经验模型的计算结果对比，发现具有较理想的精度；利用SCBLD法和改进的结合能计算公式，研究了合金元素对钛合金同素异构转变影响规律；建立了无热omega相转变机制及omega相辅助alpha相形核模型，在电子结构层次上揭示了omega相形成与分解的微观机理。在实验研究方面，研究了无热omega相形成与分解、等温omega相形成与分解、omega相辅助alpha相形核、alpha相生长、omega相形貌等，这些为理论模型建立提供了丰富的实验资料。本项目的实施，实现了在电子结构层次上揭示钛合金omega相变及其对合金组织性能影响的微观机理；同时，本项目中对EET理论的改进与完善将对EET理论的未来发展起到积极促进作用。