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《清华大学》 2010年
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镍基合金力学性能与元素分配行为的第一原理研究

王云江  
【摘要】:镍基单晶高温合金的高强度和优良的抗蠕变性能是通过析出相强化以阻止位错运动实现的。析出强化的极限决定于析出相的强度和基体相的弹性性质。而合金化元素在合金两相之间的分配行为又间接影响合金的力学性能。对力学性质和元素分配行为的研究具有重要科学内涵和应用价值。 通过第一原理能量学计算能量-应变关系可以拟合出材料各种弹性模量。基于此我们首先预测了合金化元素Ta、Mo、W、Cr、Re、Ru、Co和Ir对合金γ和γ'相弹性性质的不同影响;然后利用Ni/Ni3Al多层结构作为筏型化模型合金研究其弹性性质,计算结果重现了实验室观察到的筏型化合金实际上具有立方的对称性的结果,考虑γ'相体积分数影响,指出两相材料弹性性质组合的Voigt-Reuss-Hill规则可以很好描述镍基合金;最后,我们使用新颖模型研究了重要合金化元素Co、Cr、Ta、Re和Ru对三元和四元模型合金弹性模量的影响,计算的结果与已有的实验数据吻合很好。同时对不同元素的强化作用进行了区分,用电子结构解释其强度机制。 在弹性性质研究基础上,我们进一步研究了重要合金化元素Re对γ'-Ni3Al不同方向拉伸和剪切强度的影响,发现Re有效提高了Ni3Al的理想强度,而强化作用源于Re-Ni之间的类共价键对形变的有效抑制。此外,我们比较了钴基合金析出相Co3(Al,W)与Ni3Al的弹性性质和理想强度,Co3(Al,W)的理想强度和弹性模量均高于Ni3Al。Co-W之间通过d-d轨道杂化形成的类共价键是Co3(Al,W)良好力学性能的根源。 最后,我们用不同的第一原理方法研究了镍基合金中合金化元素在两相之间的分配行为。提出一种用第一原理定性研究元素分配行为的方法,并将此方法应用到计算元素Re、Co、Cr在镍基合金相界面上的分配趋势,并且预测了第二种合金化元素Ru(或Ir)对以上元素分配行为的影响,所得结果与多元真实合金原子探针实验定性一致。另外,我们还研究了重要合金化元素Re和Ru对镍基合金相界面的不同强化机制。研究结果为更高性能合金的设计提供了理论支持。
【学位授予单位】:清华大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:O482.1

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