锆钛合金掺杂轻质元素的理论研究

The aircrafts work in under extreme conditions, such as irradiation, low temperature and oxygen monatomic resistance. Moreover, the key parts of the aircrafts must possess some special properties, for example, serving long time, high strength, high tenacity, low density etc. All these force us to find new kind of materials. Previous experimental studies indicate that TiZr alloys doped with light elements and its composite materials exhibit great potential applications in future aircraft. However, it is impossible to find the most suitable light element for future aircraft only by experiments. Considering these mentioned above, we will investigate the pressure-induced phase transition for pure TiZr alloys, the stress-strain curves and electronic properties of light elements doped TiZr alloys by using plane-wave pseudopotential method and ab initio molecular dynamics method based on density functional theory, obtain the variations of ideal tensile and shear strengths with the doped elements and its concentration. We will also invetigate the relation between the structure and mechanical properties for TiZr alloys doped with light elements, and analyze the mechanical properties dependence with the electronic structure and structure, and provide theoretical guidance for experimental preparation of key parts of aircraft.

鉴于我国空间技术对空间超常规服役环境下材料及构件的长寿命、高强度、高韧性、低密度、抗辐照、耐低温、抗原子氧腐蚀等特殊性能需求，研究表明锆钛合金材料掺杂轻质元素及其复合材料在这些方面具有非常大的潜在优势，而单纯的依靠实验来寻找满足未来航天需要的最佳掺杂元素及比例是很难实现的。本课题拟采用第一原理的平面波赝势方法和量子（从头算）分子动力学方法来研究锆钛合金的高压结构相变、掺杂的锆钛合金材料的应力－应变关系和电子结构，获得掺杂元素及其比例对材料抗张和切变强度的影响，从理论上研究掺杂结构与力学性质的关系，阐明掺杂锆钛合金材料的结构和电子结构与其力学性能的影响关系，为实验制备适于空间关键活动构件的特种材料和建立该材料的成份设计与制备提供理论指导。

空间技术对空间超常规服役环境下材料及构件的长寿命、高强度、高韧性、低密度、抗辐照、耐低温、抗原子氧腐蚀等特殊性能具有较高的要求，实验研究表明锆钛合金材料掺杂轻质元素及其复合材料在未来航天飞行器关键构件材料是潜在的优势材料，而仅仅依靠实验来探寻满足未来航天需要的最佳掺杂元素及其比例是很难实现的，理论研究表现出来较大的优势。本项目从理论上开展了锆合金强韧化机理研究。主要利用第一原理的平面波赝势方法研究了掺杂轻质元素的CuZr和TiZr的应力—应变关系和电子结构，得到了掺杂不同元素和不同掺杂浓度的体系拉伸强度。然后，利用电子结构在拉伸应力下的稳定性探讨了上述体系的力学和结构稳定性，以及不同体系的拉伸强度相对大小的物理机制。计算结果表明这些掺杂体系的拉伸强度与成份有很大的依赖关系，考虑到原子和模量匹配，以及轻量化设计材料，掺杂Al是潜在的优选材料，并且低浓度Al掺杂导致锆合金体系进一步强化。研究表明掺杂不能带来整个体系的化学键增强，即实验发现的掺杂导致的锆合金强韧化在于Hall-Petch效应。理论上开展的这些研究为实验制备适于空间关键活动构件的特种材料，以及为该材料的成份设计与制备提供理论指导。.近年来，一种被称为MAX相的材料具有金属和陶瓷的诸多优点，备受研究关注，研究发现这类材料的特殊性能与组元、晶体和微观结构有关，深入研究这类材料结构与性能之间的关系是一项重要的课题。我们在理论上开展了M2SC(M=Ti, Zr, Hf)在拉伸和剪切应变下的行为、以及结构稳定性的微观机制研究。得到了这类材料在拉伸和剪切应变的应力—应变关系，并与MC进行了比较。利用电子结构稳定性讨论了M2SC在拉伸和剪切应变下的稳定性微观机制。理论预测了这类材料具有内禀的脆性，这种脆性来源于较大的滑移面的位错，而引起位错的力可以通过Peierls应力计算来量化。