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TiAl/TiO_2界面相互作用的第一性原理研究

邢发军  
【摘要】:TiAl合金因其具有质轻、比强度高和高温抗蠕变能力强等优异的性能,成为代替Ni基重合金最具有潜力的高温结构材料之一,但是高温抗氧化能力不足严重制约了它在实际生产中的广泛应用。本文围绕γ-TiAl金属间化合物与初氧化生成产物金红石相TiO_2展开第一性原理计算,研究了TiAl/TiO_2界面结构、界面稳定性、界面结合强度及界面原子的电子结构特性。 首先,计算了γ-TiAl块体及稳定性最高的γ-TiAl(110)表面的电子结构和稳定性特性。结果显示γ-TiAl中Ti与Al以共价键结合,Al终端的γ-TiAl(110)表面表面能最低,最稳定。与Al终端γ-TiAl(110)表面比较发现,缺陷(Ti空位)更易于在Ti终端γ-TiAl(110)表面出现,在缺陷(Nb掺杂)的影响下,Al终端γ-TiAl(110)表面较Ti终端γ-TiAl(110)表面更稳定。 其次,计算了金红石型TiO_2块体和四个低指数表面的电子结构特性和稳定性等性质。块体TiO_2为半导体,TiO_2四个低指数表面中(110)表面最稳定且最容易解离。 最后,研究了5种不同匹配的TiAl(110)/TiO_2(110)界面,结果表明界面两侧的O原子和Al原子间存在较强的相互作用,O原子可以扩散至TiAl侧,Al-O键在界面连接中起主要作用。Al-O键在O位于Ti-Al桥位匹配的界面中作用最强,使得该界面结合最牢固、最稳定,即TiAl与TiO_2间最有可能以此种界面结合。缺陷(Ti空位和Nb掺杂)将降低界面的结合强度及稳定性,同时缺陷也影响界面的相对稳定性,Ti空位和Nb掺杂使O位于缺陷γ-Ti桥位的TiAl/TiO_2界面成为最稳定界面,有助于抑制非保护性氧化膜TiO_2的形成。


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