点缺陷对γ-TiAl（100）表面氧原子吸附和扩散影响的第一性原理研究

【摘要】：金属以及金属间化合物的表面抗氧化问题影响着材料的实际应用和发展,其中,γ-TiAl合金的表面氧化问题一直是人们关注的焦点。本文的主要工作是利用基于密度泛函理论的第一性原理计算氧原子在γ-TiAl(100)表面附近的吸附和扩散,以及点缺陷对其影响。 我们的计算结果表明：氧原子在干净γ-TiAl(100)表面上的最稳定吸附位置是对应第二层Al原子正上方由表面第一层2个Ti和2个Al原子构成的心位(H),表面下的最稳定吸附位置是对应表面第二层由4个Ti和1个Al原子构成的四棱锥中心位置(P)。氧原子在干净γ-TiAl(100)表面上的扩散能垒为0.62eV,氧原子从表面上向表面下第二层的扩散能垒为1.98eV,这说明氧原子在γ-TiAl(100)表面上的扩散更容易。而氧原子在γ-TiAl(100)表面从表面第二层扩散到表面第三层的扩散能垒为1.34eV,相当于氧原子在γ-TiAl体材料内部的扩散。在掺杂体系中,Si原子更容易替代表面第一层Al原子的位置,而w原子更容易替代表面第二层Ti原子的位置,且二者均使其近邻吸附氧原子的吸附能升高。由此表明Si原子更容易偏析在表面第一层上,而W原子更容易偏析在表面第二层上,且抑制了氧原子在γ-TiAl(100)表面附近的吸附。在空位缺陷体系中,更容易形成表面第一层Ti原子空位,且该空位缺陷使氧原子在其近邻位置的吸附能降低,可能促进氧化的进行。氧原子分别在干净表面、Ti空位表面、Si和W掺杂表面从表面上到表面下第二层扩散的能垒为1.98eV、1.34eV、2.53eV和2.69eV,由此表明,相对于干净表面,表面第一层Ti原子空位缺陷的形成使得氧原子在γ-TiAl(100)表面附近的扩散更加容易；而Si原子和W原子的掺入使得氧原子在γ-TiAl(100)表面附近的扩散更加困难。