TiAl合金中有序ω相稳定性的第一性原理研究

TiAl alloys have a low density, high specific strength, good resistance against oxidation and corrosion at high-temperature, etc., and are widely recognized as an ideal lightweight high-temperature structural material in the area of aerospace, automotive and other industries. Key problems to be urgently answered for a broad industrial implementation of TiAl alloys include the increase of low-temperature ductility and the improvement of workability at high-temperature. The masses formation of high-temperature disordered β phase induced by adding the β-stabilized transition metal elements can improve significantly the ductility and workability of the alloys. However, during cooling to room-temperature, the ordering transformation of the retained β phase results in the formation of the βo phase which can readily decompose into the hard and brittle ordered ω phases. The ordered ω phases are stable over the range of the possible service temperatures of TiAl alloys and can adversely affect the mechanical properties of the alloys. Therefore for the development of TiAl alloys, it will be very necessary to know the fundamentals of ordered ω phase transition in order to avoid the appearance of such harmful phases. Accordingly, on the basis of super-cell models, the effects of β-stabilized transition elements on the stability of ordered ω phases will be systematically and deeply studied in this project using the first-principles calculations and quasi-harmonic approximation. This can provide the important theory reference and guidance for the regulation and control of brittle ω phases in TiAl alloys.

TiAl合金具有低密度、高比强、良好的高温抗蠕变和抗氧化性能等优点，被公认为是航空航天和汽车工业等工业领域的理想轻质高温结构材料。克服低温脆性和提高可加工性是TiAl 合金走向工业化发展道路急需解决的关键问题。添加稳定β相过渡族合金元素，诱导形成大量的高温无序β相，能显著地提高TiAl合金的塑性和可加工性。然而，在冷却至室温的过程中，残留β相会经有序化转变成βo相，进一步转变成硬而脆的有序ω相。该有序ω相的存在温度区间与TiAl合金的可能服役温度区间重合，且可对合金力学性能产生不利影响。因此开发TiAl合金时，为了避免这种有害相的出现，必须掌握TiAl合金中有序ω相的相变规律。据此，本项目拟在超晶胞模型的基础上，采用第一原理结合准谐近似的方法，系统而深入地研究稳定β相过渡族元素对TiAl合金中有序ω 相稳定性影响的规律，以便为TiAl合金中脆性ω相的调控提供重要的理论参考和指导。

TiAl合金具有低密度、高比强、良好的高温抗蠕变和抗氧化性能等优点，被公认为是航空航天和汽车工业等工业领域的理想轻质高温结构材料。克服低温脆性和提高可加工性是TiAl 合金走向工业化发展道路急需解决的关键问题。添加稳定β相过渡族合金元素，诱导形成大量的高温无序β相，能显著地提高TiAl合金的塑性和可加工性。然而，在冷却至室温的过程中，残留β相会经有序化转变成βo相，进一步转变成硬而脆的有序ω相。该有序ω相的存在温度区间与TiAl合金的可能服役温度区间重合，且可对合金力学性能产生不利影响。据此，本项目主要研究了具有典型有序ω相成分的βo-、ω″-和ωo-Ti4Al3Nb的相稳定性和力学性能，以及稳定β相过渡族合金元素V、Cr、Ni、Zr、Mo、W对βo-和ωo-Ti4Al3Nb相稳定性的影响，结果表明：βo-、ω″-和ωo-Ti4Al3Nb相均具有热学和力学稳定性，其中ω″-Ti4Al3Nb最稳定，其次是ωo-Ti4Al3Nb，βo-Ti4Al3Nb相对最不稳定；βo-、ω″-和ωo-Ti4Al3Nb相均呈现出脆性，其中ωo-Ti4Al3Nb最脆，其次是ω″-Ti4Al3Nb，而βo-Ti4Al3Nb相对更塑；βo-、ω″-和ωo-Ti4Al3Nb相硬度变化趋势与它们的脆性变化相似；βo-、ω″-和ωo-Ti4Al3Nb相均具有力学各向异性，其中ω″- Ti4Al3Nb的各向异性最强，其次是ωo-Ti4Al3Nb，βo- Ti4Al3Nb的各向异性相对最弱；稳定β相合金元素V、Cr、Ni、Zr的添加均会降低βo-Ti4Al3Nb合金的相稳定性，其中Zr的合金化效应最为显著，其次是Ni和Cr，V的合金化效应相对最弱；然而，稳定β相合金元素Mo和W合金元素的添加却会提高βo-Ti4Al3Nb合金的相稳定性，其中Mo的合金效果更为显著；与βo-Ti4Al3Nb合金相反，稳定β相合金元素V、Cr、Ni、Zr的添加均会提高ωo-Ti4Al3Nb合金的相稳定性，其中Ni的合金化效应最为显著，其次是Zr和V，Cr的合金化效应相对最弱；然而，稳定β相合金元素Mo和W的添加却会降低ωo-Ti4Al3Nb合金的相稳定性，其中W的合金化效应更为显著。这些结果将会加深科研人员对TiAl合金中有序ω相的理解，可为相关研究提供重要的理论参考与指导。