合金元素在Nb-Si基合金氧化中作用机制的第一原理研究

Nb-Si基合金具有密度低、高温强度高等优点作为极具潜力的高温结构材料在航空航天领域中有较广阔的应用前景。实验研究表明合金元素对Nb-Si基合金的室温韧性、高温强度和高温抗氧化等性能的改善起着关键作用, 但高温抗氧化性能不足是制约该合金应用的瓶颈。为了提高高温抗氧化性能，必须对Nb-Si合金的氧化机理做深入研究。本项目拟采用第一原理方法结合经典扩散模型,系统地研究Ti, Al, Mo, Cr 和Sn 等典型合金元素在Nb-Si合金氧化中的作用机理, 讨论氧与合金元素在Nbss、Nb5Si3和NbCrb表面和体内以及Nb/Nb5Si3界面的相互作用, 通过计算氧和合金元素以及Nb和Si的扩散激活能和扩散路径讨论扩散与温度的关系, 阐明合金元素在Nb-Si合金氧化中的作用机制, 提出改善Nb-Si基合金的抗氧化性能的具体途径, 为进一步提高其高温抗氧化能力的设计提供理论基础。

本项目采用第一原理方法研究了合金元素与氧在Nb表面、Nb晶界的相互作用，讨论Nb表面初始氧化的热力学过程。研究了Nb(110)和Nb(100)表面氧吸附，给出了初始氧化相图；采用准谐德拜模型计算了Nb，Cr2Nb和Nb5Si3 的热力学性质，讨论了温度变化产生的热应力对裂纹产生的影响；构建了Cr2Nb(111)表面氧化热力学相图，提出了Cr2Nb(111)表面氧化时Cr和Nb在(111)表面同时氧化，有利于形成CrNbO4；研究了Nb晶界上O与合金元素的相互作用，发现O与Sn与强烈的排斥作用，而O与Ti有相互吸引作用；采用分子动力学方法探讨了bcc Nb晶界沿不同剪切方向的变形机制；构建了材料由多个表面构成的表面热力学相图，提出了研究多晶材料的理论方法；研究了两相材料的初始氧化，提出了从理论上研究多相材料的新方法。