beta钛合金中非平衡相稳定性及力学性能的第一原理研究

合理设计的体心立方钛基合金(beta钛合金)具有优良的综合力学性能，是目前材料领域的研究热点之一。随成分及制备工艺不同，beta钛合金中会出现丰富的非平衡相，如alpha'、alpha''及omega相等。某些相变可由应力诱发而直接影响合金的力学性能。了解非平衡相性质并对其进行恰当控制，是实现beta钛合金性能优化的关键。这些非平衡相单相性质难以用实验测量，且该类合金的无序性为第一原理计算研究造成极大困难。因此，目前对这些非平衡相仍缺乏本质认识。本项目拟采用第一原理EMTO方法结合相干势近似，系统研究beta钛合金中各非平衡相的晶格结构；在此基础上，计算各相弹性模量；结合Debye模型，研究各相间相对稳定性，近似确定成分相界及相转变温度；探索合金化对弹性及相稳定性的影响规律及物理机理，从而为解释beta相的优异性能，并进一步合理控制非平衡相、实现beta钛合金的性能优化提供理论基础。

随成分及制备工艺不同，钛合金中出现丰富的非平衡相，如alpha、alpha、omega、beta相等。了解非平衡相的性质并对其进行适当控制是实现钛合金性能优化的关键。这些非平衡相的性质难以用实验测量。另一方面，钛合金中合金原子分布的无序性为第一原理计算研究造成了极大困难。因此，对这些非平衡相仍缺乏本质认识。本项目采用第一原理EMTO方法结合相干势近似，系统研究了二元及多元钛合金中各非平衡相的晶格结构，确定了其相稳定性序列及相变路径，建立了相关合金的成分相图，并计算了合金的弹性常数及模量。相稳定性结果表明，随过渡族合金元素（TM＝V、Nb、Mo、Ta）含量的增加，二元Ti-TM合金相稳定性由alpha逐渐过渡到alpha''、beta，TM合金元素能抑制beta钛合金中omega相的析出；Ti4Al3Nb中各相的稳定性顺序为beta<beta0<omega0<omega''，Ti4Al3Mo中各相的稳定性顺序为beta<omega0<beta0<omega''，在TiAl-Nb合金中添加Mo，可有效阻止beta0－omega''/omega0相变，两种钛合金的beta0－omega''的相变为原子扩散－晶格塌陷机制且无势垒，beta0－omega0相变机制反之；Ti1-xAlxN合金在x＝0.75时由立方相B1转变为六角相B4相。弹性模量计算结果表明，TM合金元素显著增加beta钛合金的弹性模量，SM合金元素对弹性模量的没有影响。通过计算各相电子态密度随成分的变化，揭示了钛合金相稳定性随成分变化的物理根源：alpha、alpha''、beta相相对稳定性是共价及金属键相互作用竞争的结果，TiAl-Nb/Mo合金的稳定性由共价键强度决定。综合考虑相稳定及弹性模量计算结果，提出了过渡族元素与简单金属元素共同合金化进行低模量钛合金成分设计的原则。上述研究结果丰富了钛合金基础性能数据库，为低模量钛合金及第三代TiAl合金的成分设计提供了理论基础。