（原子与分子物理专业论文）tial基金属间化合物co2tial的第一性原理研究.pdf

四川大学博士学位论文 t i a l 基金属问化合物c o ：t i a i 的第一性原理研究 原子与分子物理专业 博士研究生付宏志指导教师扬向东教授 t i a l 基合金具有许多优点，例如具有较低的密度、较高的熔点以及较大 的屈服应力等等。但是，在一些情况下它们也具有一些缺点，比如具有较低 的抗损伤能力、较低的室温塑性、断裂韧性和高裂纹扩展速率增加失效的可 能性等这些缺点阻碍了t i a i 基合金在一些重要领域的应用。因此，研究t i a l 基合金的结构和性能一直是一个很活跃的研究领域。大量的实验和第一性原 理计算结果表明，t i a l 基合金的性质强烈地依赖于晶体结构和组成元素的构 型，尤其是微观的电子结构对其性能起到非常重要的作用。然而，对于一些 很重要的t i a l 基晶体，在控制金属间化合物的强度、延展性、断裂以及热缺 陷等微观机理等等方面，人们知道的还比较少。 c o j i a l 合金属于h u m e - r o t h e r y ( h - r ) 晶体具有l 2 。的晶体结构。其化 学配比公式可以写成x j z 的形式。其中，x 和y 是过渡元素，z 是具有印电 子的非磁性元素。长期以来，具有l 2 ；结构的晶体一直被认为是三元合金中一 种重要的稳定结构。这种结构可以看成是由八个b 2 体心立方原胞堆砌而成的 立方密排晶胞。最近以来，很多科研工作者把注意力放在了c o z t i a l 合金中具 有磁性的c o 原子上，很少关心其中非磁性a l 原子的作用、c o ：t i a i 合金的热 力学性质、物态方程、化学键以及掺杂元素对c o j i a l 合金电子结构的影响。 在本论文中，我们将着重研究这些问题。 首先，基于密度泛函广义梯度近似( g g a ) 和全势能线性缀加平面波理 论( f l a p w ) ，我们对x 2 t i a l ( x = f e ，c u ，c o ，n i ) 晶体的电子结构进行了研究， 给出了过渡元素x 和 l 助电子对x j i a l ( x = f e ，c u ，c o ，n i ) 晶体的电子结 构盼影响。计算结果表明，对于x 2 t i a i ( x = f e ，c u ，c o ，n i ) 晶体，总的态密 度不仅取决于元素的电负性的大小。而且也取决于过渡元素在晶格中的占位。 l 婴坐奎竺堡主竺垡堡茎 过渡金属元素的d 电子态不仅与表征晶体稳定性的赝隙有关，而且还与晶体 中其它元素的价电子进行强烈地杂化。虽然a 1 3 p 的态密度占所研究晶体的总 的态密度的成分较小，但是，a 1 3 p 的态密度分布范围较过渡元素的3 d 态密度 分布范围广，且变化也较过渡元素的3 d 态敏感，对所研究的x j i a i ( x = f e ，、c u ， c o ，n i ) 晶体来说，总的态密度由a 1 3 p 态调节。 其次，在没有相变的前提下，基于准谐德拜模型和第一陛平面波赝势密 度泛函理论对c o f f i a l 晶体的热力学性质和物态方程进行了研究。我们给出了 晶格常数a 、体弹模量岛和体弹模量对压强的一阶导数b ：。计算了德拜温度 p 、晶格体积矿和定容热容g 的相对比以及体弹模量口、定容热容g 、定压 热容g 和两者的差( g 随不同温度和压强的变化。计算结果表明，在低温情 况下，定容热容0 随温度的立方( ，3 ) 变化，当温度高于8 0 0 k 时，随着温 度的增加，定容热容g 逼近杜隆一珀替极限。在给定温度下，体弹模量层随着 压强的增加呈线性地增加，而在给定压强下。体弹模量口随着温度的增加呈 线性地减少。在准确n - 阶近似的基础上，我们给出了体弹模量及德拜温度 日随温度，变化的关系。计算结果还表明热膨胀系数口在低温情况下随尹 增加，在高于6 0 0 ( 时，随着温度的增加，热膨胀系数盯几乎呈线性增加。 我们还给出了c o ：t i m 晶体的g r u n e i s e n 参数丫随温度和压强发生变化的关 系：在高压时，g r u n e i s e n 参数丫几乎不随温度发生变化；在压强低于3 0 g p a 时，g r u n e i s e n 参数y 随温度的增大而增大，并且随压强的减小g r u n e i s e n 参数丫呈非线性增大，在此压强下，压强对g r u n e i s e n 参数丫的影响比温度 大。计算得到的c 0 2 t i a l 晶体的柏松比d r = 0 2 4 6 ，比较接近0 2 5 ，表明原子 问的相互作用力主要是中心力场。c o j i a l 晶体不仅具有较大的剪切模量岔 而且也具有较大的体弹模量夙表明其具有很强的抵抗塑性形变和断裂的能 力。另外，我们还研究了c o ：t i a i 晶体的电子结构对晶体的脆性和各向异性的 影响。从伽= 0 6 1 1 6 的比值，我们得到了c o ：t i a i 晶体属脆性合金。计算得 到的 1 0 0 、e o l o 和 0 0 1 3 平面上的剪切各向异性因子彳= 1 7 6 9 。说明分别在 与 方向之间、 与 方向之间以及 与 方向之间， 弹性是各向异性的。 最后，我们采用广义梯度近似( g g a ) 和全势能线性缀加平面波理论 ( f l a p w ) ，研究了掺杂元素x ( x = c ，s i 和z r ) 对c o ：t i a i 晶体的晶格常数a 、 体弹模量虽键能和电荷密度的影响。掺杂元素x ( x = c ，s i 和z r ) 分别位于 婴业查堂塑主堂堡兰塞 元素周期表中第二、第三、第五周期，元素c 和s i 通常被认为是使金属晶体 硬化的溶剂，而元素z r 通常被认为是使金属晶体软化的溶剂。计算结果表明 掺杂元素c 、s i 和z r 分别使晶体的晶格缩小1 7 9 4 ，0 4 7 8 和0 1 3 7 。 另外，掺杂元素x ( x = c ，s i 和z r ) 在对晶体的体弹模量的影响方面却表现不 同它们给出了两种截然不同的结果，计算结果表明掺杂元素s i 和c 分别使 晶体的体弹模量增加1 1 和1 ，3 ，相反，掺杂元素z r 使晶体的体弹模量减 小0 5 6 。我们从化学键的角度研究了其中的化学键在金属间化合物c 0 2 t i a l 、 c o 小i t i 。：。z r 。：。、c o ：a i t i 。，5 i 。n 5 和c 0 2 a i t i 。c 。日中的大小。在化学键a 卜c o ， a i - t i ，c o - t i ，a i - x 和c o - x ( x = c ，s ia n dz r ) ) 中，化学键c o - c 的强度最 大，c o s i 次之，c o z r 最小。为了更好地理解这些性质，我们给出了所研 究晶体c o ：t i a i 、c 0 2 a i t i 。5 z t o 。、c o 勰1 t i s i 。和c o 小i t i 。c o 在相应 o 平面上的电荷密度图。结果显示c o ：t i a i 和c o 。a i t i 。z r o ：。晶体主要以金属键 为主，从而具有比c o 。a i t i “，；s i 。；和c o z a l t i 。c 。晶体小的体弹模量。相反， 在c 0 2 a l t i s i o 筠和c o ：a i t i 。c ：s 晶体中除了拥有金属键阻外，还具有明显 方向性的共价键，在化学键c o - c 和c o - s i 中尤其突出。 关键词：体弹模量化学键费米能级热力学性质休谟饶塞里晶体布里渊 区态密度 i 四川大学博士学位论文 t h e i n v e s t i g a t i o no f t h et i a ib a s e dc o z t i a ia l l o y b y f u s tp r i n c i p l ec a l c u l a t i o n s s p e c i a l t y ：a t o m i ca n dm o l u l 缸p h y s i c s t h et t a ib a s e da l l o y sh a v em a n yd e s i r a b l ep r o p e r t i e s , s u c ha s ，l o w e rd e n s i t y , h i g h 口m e l t i n g t e m p e r a t u r e s a n d h i g h e r y i e l ds t r e n g t h , e t c b u t i n m a n y c a s c 8 。t h e y h a v e af e wd e f e c t s , f o re x a m p l e , l a c k i n gd u c t i l i 劬w h i c hp r e v e n tt h e mf r o mb e i n g u s e dt oq u i t ei m p o r t a n tp r a c t i c a la p p l i c a t i o n s f o r e , i ti sc o n s d e r a b l e i n t e r e s t i n gt oi n v e s t i g a t et h e s t r u c t u r e sa n dp e r f o r m a n c eo ft h et t a ib a s e d m a t e r i a l s t h ee x p e r i m e n t sa n de l e c t r o n i cs t r u c t u r ec a l c u l a t i o n sh a v es h o w nt h a t t h ep r o p e r t i e so ft h e s ec o m p o u n d sd e p e n ds l o n g l y0 1 1c r y s t a ls u u c t u r ea n dt h e e l e m e n t a lc 伪n l ，o s i t i ，a n dt h a tt h e i re l e c t r o n i cs t r u c t u r ep l a y sa ni m p o r t a n tr o l e i nt h e i rp r o p e r t i 韶t h e n , t h e r ee x i s t ss t r o n gm o t i v a t i o nt ou n d e r s t a n dt h e c o n t r o l l i n ge l e m e n t so ft h e i rb e h a v i o rf r o maf u n d a m e n t a l ，m i c r o s c o p i ct h e o r yo f e l e c u o n i cs t r u c t u r e h o w e v e r , e s p e c i a l l yf o r8 0 m eo ft h em o l t oi m p o r t a n t a l m n i n i d ei n t e r m e t a l l i cc o m p o u n d s ，v e r yl i t t l ei sk n o w nf r o maf i m d a m e n t a lp o i m o fv i e wa b o u tt h eu n d e r l y i n gp h y s i c sw h i c hg o v e r n ss t r e n g t h , d u c t i f i t y , a n d r e s i s t a n c et of r a c t u r ea n dt h e r m a lf a i l u r e 。 c d 2 弧越b e l o n g st oal a r g eg r o u po f t h el 2 t - s t r u c t u r ec o m p o u n d s m m 鲫l y r e f e r r e dt o 勰h u m e - r o t h e r y ( h - r ) a l l o y sw i t ht h eg e n e r a lf o r m u l ax 2 y z , i n w h i c hxa n dya 豫t r a n s i t i o nm e t a l s ( t m ) a n dzi sa n o m n a g n e t i cs pe l e m e n t t h e l 2 t - 触ec o m p o u n d sh a v el o n gb e e nk n o w na s 锄i m p o r t a n ts t a b l es t r u c u l r e f o rc e r t a i nt e r n a r ya l l o y s ，a n dh a v eau n i q u ec l o s e - p a c k e dc u b i cs t r u c t u u n i tc e l l c o m 如s e do f 确如s i m p l eb c c 毋2 ) u n i tc e l l s i nr e c e n ty e a r s , m a n ya t t e m p t s h a v eb e e nm a i n l yf o c u s e do nt h em a g n e t i s mo f c oa n dg i v el i t t l ea t t e n l l o n st ot h e 四j l i 大学博士学位论文 r o l eo ft h en o n - m a g n e t i ca t o ma i ，t h et h e r m o d y n a m i cp r o p e r t i e so fc 0 2 t i a i ，t h e e q u a t i o n so f s t a t e s ，c h e m i c a lb i n d i n g sa n dt h ei n f l u e n c eo f t h ed o p i n g e l e m e n t so n t h ee l e c t r o n i cs t r u c t u r eo f c 0 2 t i a l ，w h i c hw eh a v ed i s c u s s e di nt h ep a s o f i r s t l y , w eh a v eu s e dt h ef u l lp o t e n t i a ll i n e a r i z e da u g m e n t e dp l a n ew a v e ( f l a p w ) t h e o r ye m p l o y i n gg e n e r a l i z e dg r a d i e n ta p p r o x i m a t i o n ( g g a ) t os t u d y t h et e r n a r ye l e c t r o n i cs t n m t u r eo f t h el 2 it y p ex 2 t i a i ( 净f e ，c o ，c u , n i ) c r y s t a l s w ef o c u so nt h ei n f l u e n c eo ft h exa t o m sa n da l3 po c c u p i e ds t a t 嚣i na 1 t i x 2 ( x - f e c u ，c o ，n i ) i n t e r m e t a l l i c s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h et o t a ld o sd e p e n d s s t r o n g l yn o to n l yo ne l e c t r o n e g a t i v i t yo ft ma t o m s ，b u ta l s oo nt h ep o s i t i o n so f t ma t o m s ，a n dt h et mdd o sn o to n l yc o n n e c t sw i t ht h ep s e u d o g a pw h i c hi st h e i n d i c a t i o no ft h es t a b i l i t yo ft h ei n t e r m e t a l l i ct e r n a r yh u m e - r o t h e r y ( h r ) a l l o y s ， b u ta l s op l a y sac r u c i a lr o l ei nh y b r i d i z a t i o nw i t ho t h e re l e m e n tv a l e n c ee l e c t r o n s a l t h o u g ht h ea i3 ps t a t e st a k es m a l lp r o p o r t i o ni nt h et o t a ld o s f o fa l ls t u d i e d s a m p l e s ，t h ea i3 ds t a t e sa r ef a rm o r ee x t e n d e d l i k ei nt h ec h a r a c t e rt h a nt h ed s t a t e s a n dt h ea i3 ps t a t e sa r em o r es e n s i t i v et h a nds t a t e st oc h a n g ei nt h e e l e c t r o n i ci n t e r a c t i o n s ，a n dt h et o t a ld o s ；i na 1 1t h es t u d i e ds a m p l e sa r em o d u l a t e d b y a l3 ps t a t e s s e c o n d l 弘t h e r m o d y n a m i cp r o p e r t i e so f t h ec 0 2 t i a ia r ei n v e s t i g a t e db ya bi n i t i o p l a n e - 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p e t i tl i m i t a ta g i v e nt e m p e r a t u r ee t h eb u l km o d u l o u sbi n c r e a s e sl i n e a r l yw i t ha p p l i e dp r e s s u r e s a n dt h eb u l km o d u l o u sbd e c r e a s e sa l m o s tl i n e a r l yw i t ht h ei n c t e a 陆o f t e m p e r a t u r e ra tt h e 丘x e dp r e s s u r ep b yf i t t i n gt h ed a t at os e c o n d - o r d e rp o l y n o m i a l s ，w eh a v e o b t a i n e dt h er e l a t i o n s h i p so fb ta n do - rt h et h e r m a le x p a n s i o nc o e f f i c i e n t 口 v 璺型奎兰堕圭兰堡堡塞 i n c r c a q 髂w i t h ，a tl o w e rt e m p e r a t u r e sa n dg r a d u a l l ya p p r o a c h e st o al i n e a r i n c r e a s i n ga th i g h e rt e m p e r a t u r e s ( 6 0 0 。c ) a th i g h = p r e 懿u r ，t h eg r u n e i s e n p a r a m e t e rti sa l m o s ti n v a r i a n tw i t ht t m l p e r a m r e s a tl o w e rp r e s s u r e s ( 3 0 g p a ) ，t h e g r u n e i s e np a r tarneter i n c r e a s e sn o n - l i n e s r l yw i t ht h et e m p e r a t u r e s , a n dt h ee f f e c t s o f p r e s s u r eo nt h eg r u n e i s c np a r a m e t e rta r cm o r ei m p o r t a n tt h a nt e m p e r a t u r e t h c c a l c u l a t e dp o i s 8 0 n sr a t i oao fc 0 2 伽i so 2 4 6 , v e r yc l o s et o0 2 5 w h i c hm e a n s t h a tt h ec 0 2 删h a sp r e d o m i n a n t l yc e n t r a li n t e r a t o m i cf o r c e s t h ec 0 2 t i a ! h a sn o t o n l yg r e a ts h e a rm o d u l u sg b u ta l s og r e a tb u l km o d u l u sb ，r e p r e s e n t i n gt h eh i g h e r r e s i s t a n c et ot h ep l a s t i cd e f o r m a t i o na n df r a c t u r e 。r e s p e c t i v e l y t h eo b t a i n e dg bi s o 6 1 1 6 ，s h o w i n gt h a tt h ec o a t i a la l l o yi sb r i t t l e t h es h e a ra n i s o t r o p i cf a c t o r sa o f t h e 【l o o p l a n e , 【0 1 0 】p l a n ea n d 【o l o 】p l a n ea r ca l s o1 7 6 9 ，i n d i c a t i n gt h ee l a s t i c a n i s o t r o p i c f i n a l l y , u s i n gt b o 彻ip o t e n t i a ll i n e a r i z e da u g m e n t e dp l a n ew a v e ( f l a p w ) t h e o r ye m p l o y i n gg e n e r a l i z e dg r a d i e n ta p p r o x i m a t i o n ( g g a ) ，w eh a v es t u d i e dt h e i n f l u e n c eo f x ( x = s i ，ca n dz r ) 0 1 1t h ec 0 2 t i a ia l l o y t h ee f f e c t so f x ( x _ s i ，c ， a n dz r ) 0 1l a t t i c ep a r a m e t e r s ，b u l km o d u l u s ，c h e m i c a lb i n d i n g sa n de l e c t r o n d e n s i t yc o n t o u ra r ci n v e s t i g a t e d t h es o l u t e ss t u d i e di nt h ep r e s e n tw o r ka r ex ( x _ s i ，ca n dz f ) w h i c ha r ei nt h es e c o n d , t h i r da n d 五硒轴eo f t h ep e r i o d i ct a b l e , a n d o f t e nu s e da s h a r d e n i n g ( ca n ds i ) a n ds o f t e n i n g ( 刎s o l u t e s i nm e = t a l s ， r e s p e c t i v e l y i ti ss h o w nt h a tt h ex ( x = s i ，c ，a n dz r ) s h r i n kt h eu n i tc e l lb y 1 7 9 4 0 ，0 4 7 8 a n d0 1 3 7 o nt h eo t h e rh a n d ，t h es ia n dci n c r e a s et h eb u l k m o d u l u sb y1 1 a n d1 3 。r e s p e c t i v e l y o nt h ec o n t r a r y , t h ez rd e c r e a s e sb u l l 【 m o d u l u sb yo 5 6 a m o n gt h ec h e m i c a lb o n d sa l - c o ，灿币，c o - 瓦a l xa n d c o - x ( x 毛s i a n dz 0 ) ，t h ec h e m i c a lb o n d sc o - cr r et h eb i g g e s t , f o l l o w e db yt h e c h e m i c a lb o n d sc o s i i no r d e rt ol e a r nm o r ec l e a r l y , w eh a v ep l o tt h ee l e c t r o n i c c o n t o u rw h i c hc u t t h o u g ht h e 【0 1 1 f o rt h e s t u d i e d a l l o y sc 0 2 t i a j ， c o a a l t i 0 z r o a s , c o a a i t i o 7 5 s i o a 5a n dc o a a i t i 0 硝c o 强t h ec h a r a c t e r so ft h e c h e m i c a lb o n d sa r cm a i n l ym e t a l l i ci nc o a t t a ia n dc 0 2 a r n o 7 s z r o 笛a l l o y s ，a n d t h e yh a v et h es m a l l e rb u l km o d u l u st h a nc 0 2 a i t i o 7 5 s 1 0 2 5a n dc 0 2 a l 蕊7 5 ( ：0 2 5 w h i c hh a v en o to n l yc h e m i c a lb o n d s , b u ta l s oc o v a l e n tb o n d s 。i c t h eo o v a l e n t b o n d sa p p e a rb e t w e e nc o - s ia n dc o - cb o n d s 四川大学博士学位论文 k e y w o r d s ：b u l km o d u l u s ；c h e m i c a lb o n d i n g ；f e r m il e v e l ；t h e r m o d y n a m i c p r o l x 2 r t i e $ ；h u m e - r o t h e r y ( h - r ) a l l o y s ；b r i l l o u i nz o n e 毋z ) ：d e n s i t yo fs t a t e -， ( d o s ) v i i 四川大学博士学位论文 声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除文中加以标注和致谢的地方外，论中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得四川大学或其他教育机构的学位 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均以在论 文中作了说明并表示谢意 本学位论文成果是本人在四川大学读书期间在导师的指导下取得的，论文 成果归四川大学所有，特此声明。 1 1 2 作者签名：吩老奇 导师签 四川大学博士学位论文 第一章引言 1 1 研究背景 铝合金的发展可追溯到1 9 0 6 年时效强化现象在柏林被a l f r e dw i l m 偶然的 发现，硬铝d u r a l u m i n 随之研制成功并用于飞机结构上“卅。在此基础上随后开 发出的a 1 - c u - m g 系合金，如2 0 1 4 和2 0 2 4 ，其抗拉强度为3 5 0 4 8 0 m p a ，至今 仍在使用。第二次世界大战期闯，由于军用航空材料的需要，抗拉强度超过5 0 0 mp 的a 卜z n m g - c u 合金发展起来，其中最著名的合金是7 0 7 5 。第二次世界大 战后，一系列新合金( 尤其是7 0 0 0 系) ，如7 0 5 0 、7 0 1 0 、7 4 7 5 和7 0 5 5 等研制 成功俨曩j 这些铝合金的研制，在不断提高强度的同时，更加注重改善其抗应力 腐蚀性能和断裂韧性，以提高构件的工作可靠性目前，高强、高韧是铝合金 发展的主要方向。 金属间化合物是指以金属元素或类金属元素为主要元素所构成的二元或多 原合金系中出现的中间相化合物。根据其用途可将其分为两类：一类是结构材 料。主要是利用其强度、刚度、硬度、耐热性和抗高温蠕变等性能；另一类是 功能材料，主要是利用其特殊的光学、电学、声学、磁学和热学等特征。主要 用傲高温结构材料的金属问化合物是n i a i 伽删、n i a l ”栅、t i 3 a i ”删、t i a l 睁枷 及f e 3 a 1 和f e a l “1 刊等。由于这类高温材料的金属问化合物具有有序结构相， 所以它们又属于高温有序合金或高温金属间化合物与镍基高温合金相比，这 类高温合金的高温性能更好，可在更高的温度下工作，而且密度小，抗腐蚀能 力强，抗蠕变、抗疲劳性能好，因而具有作为新一代飞机发动机、火箭推进系 统和空间动力系统的高温结构材料的极大竞争者。此外，它们还可用以制作锻 模、工具、化工和石化生产设备、加热元件、轴承、汽缸以及环境控制设备， 等等。在上述具有广泛应用前景的众多高温金属间化合物，t i a l 基金属问化合 物近年来更引起了研究者极大的兴趣，它被视为最具竞争力的先进材料之一 i 鲫 t i a i 基合金具有高的比强度、比刚度，以及良好的高温抗氧化、抗蠕变性 能，是一种非常有发展潜力的轻质高温结构材料自从1 9 7 5 年美国空军材料实 验室( u sa i rf o r c em a t e r i a l sl a b o r a t o r y ) 提出第一个t i a i 基合金发展计 划以来，t i a l 基合金一直是全世界范围内航空，航天、军工等重要工业部门积 极支持并组织研究的热点材料经过二十多年来各国研究者们深入、细致的基 i 塑型查兰堕主兰堡丝苎 研究工作，目前，t i m 基合金的发展已步入实用化研究阶段。t i m 基合金的板 材除了有望直接用作结构材料外，还可以用作超塑性成形的预成形材料，并用 于制作近净成形航空、航天发动机的零部件以及超高速飞行器的翼、壳体等。 随着航空航天技术的不断发展，为了提高发动机的热效率和减轻零部件的 自重，对发动机的结构材料提出了更高的要求。金属间化合物所具有的特性， 使其作为一种理想的、有待开发的新型航空航天的高温结构材料一直受到研究 者的重视。原因是由于金属间化合物原予问结合键即具有金属间的特性，又具 有共价键的特性，所以，它表现出高的高温强度、抗蠕变性能、高温显微组织 稳定性和弹性模量等高温结构材料应具有的特性。而且，还具有一定的结构材 料所应具备的室温韧性、塑性和抗裂纹扩展性。它的综合力学性能介于金属材 料和陶瓷材料之间。它所具备的特殊性能，使其成为近期有待开发应用的高温 结构材料”“。提高航空发动机性能，主要从以下两个方面入手。一是提高燃 烧室的温度，以获得更高的燃烧效率，从而节约燃料：二是减轻发动机的自重， 以降低由于强大的旋转离心力所带来的高的工作应力，和减轻支承件的重量， 从而提高零部件的工作寿命和减轻飞行体的自重。为了满足材料在航空航天中 的应用，要求使用的材料应具有高的高温强度和抗蠕变性、良好的抗氧化性以 及低的密度。t i m 基金属间化合物具备以上提出的性能要求。除了室温延展性 较低之外，t i m 基金属间化合物其他方面的力学性能与超合金相当。然而t i m 基金属间化合物的密度却不及超合金的一半与t i 合金相比，t i m 基金属间 化合物的商温性能高出许多t i m 基金属间化合物作为高温结构材料的最大优 势在于具有良好高温性能的前提下，密度很低“。 t i m 基金属间化合物性能优异，在航空航天、汽车工业等高温部件中应用 广泛陋嘲具有面心四方l i o 有序结构，c a = 1 0 2 的t i m 基金属闻化合物密度 更小，为3 9 4 1 9 c m 3 ，工作温度可达9 0 0 。t i a l 基金属间化合物还具有高 比屈服强度( 屈服强度密度) ，高比刚度( 弹性模量密度) 、良好的抗氧化性 以及良好的高温抗蠕变性等。特别是在6 0 0 8 0 0 温度范围内，就比强度而言。 t i m 基金属间化合物优于钛合金。与密度较高的镍基合金相比，其比强度至少 与之接近。近几年里，人们研制了具有应用潜力的高强t i m 基金属间化合物。 这些被称为t n b 的合金中n b 含量为( 5 一1 0 ) a t ，经过适当的加工后，其室温 屈服强度达到1 0 0 0 m p a 以上而且，其高温性能如抗蠕变性显著提高，从而拓 宽了其使用温度范翻，可以在更高的温度下使用。此外，这些合金在高温下具 2 婴型茎兰堡主兰竺笙兰 有保持高比例度的特点。从而在航空和汽车部件轻量化设计中有着非常大的优 势 t i m 基金属间化合物为解决由于对称性低、滑移系少、共价键电子数在总 价电子数比例高( 大约3 0 ) 等因素造成的脆性，科研工作者通过添加第三种 元素及合金化和组织控制得到双层或层状组织伽2 。可同时获得较高的塑性 ( 强) 和韧性( 2 5 m p am ”) 。为实际工程应用打下了基础通过加入适量的合 金元素、b 来细化层片组织和减少层片距离，以提高拉伸和屈服强度。通过加 入适量的合金元素n b 。可以提高强度和高温强度以及更高的工作温度目前， t i m 基金属问化合物一般通过等温锻造和积压进行加工，这方面正在进行工业 性应用试验由于t i a l 基金属问化合物具有以上的特殊优点，t i a l 基金属问 化合物成为航空、航天飞行器较为理想的结构材料，具有广阔的应用前景1 州。 1 2 研究现状 1 2 1t l a i 基金属问化合物在美国和日本等发达国家的研究状况呻删 现代技术在追求更高性能和更高效率时往往受到材科性能极限的限制。在 高温材料领域。传统材料性能的发掘几乎到了尽头，因此，高技术工业进一步 发展的关键在于新型材料的开发。而高温金属间化合物的出现使人们看到了新 的希望。高温金属间化合物具有较小的密度、更高的强度、更好的耐热性能， 可望在航空、汽车和化工中发挥重要的作用，所以。高温金属间化合物的研究 已成为近年来材料科学中一个十分活跃的前沿领域。美国和日本等发达国家正 在有计划、分步骤地进行金属问化合物的研究与开发工作 、 从1 9 6 2 年第一篇关于金属间化合物的论文发表以来，对它的研究稳步增 长，论文数量逐年增多。在日本金属学会和日本钢铁学会的年会上，均专门设 立了金属问化合物专题。日本的未来工业基础技术研究和开发计划把它列 为九大新目标材料之一。计划用六年的时间，为它的实际应用做好准备。 在美国，主要是为了适应于航空工业，金属间化合物的研究开展得十分广 泛。美国科学家们正在分阶段的、扎扎实实的建立金属间化合物的生产和维护 整套技术美国把金属问化合物的研究分为四个阶段来进行第一阶段。主要 是研究发现一些金属问化合物的突出特性，建立初步的微观结构一力学性能的关 系。迄今为止，大部分研究工作仍处于该阶段。第二阶段，是开始设计新材料 这一阶段的重点是建立一个最佳材料性能平衡研究工作开始把新材料看成是 3 塑型查兰坚主兰焦堡苎 。 一门工程技术。第三阶段，是进行工程和实践阶段。主要提供有关材料的缺陷 和工作寿命等方面的数据。第四阶段，主要是建立整个力学性能的数据库。 到1 9 9 4 年，几乎所有金属问化合物在航空航天工业上的应用研究工作还处 在第一阶段。其他三类金属间化合物( n i - a i 、f e - a 1 ) 的研究主要是一些基础工 作，例如强度与延展性方面的研究。但是n i 3 a l 等金属间化合物被日本列为主 要目标材料之一，近几年来在粉末冶金和熔铸工艺方面进行了大量的研究。 目前国际上每年定期举行关于高温金属间化合物的专题学术会议。比较有 影响的定期学术会议有美国的m r s 会议。每两年举办一次高温有序高温金属间 化合物研讨会，目前已举办了五届。此外，中国、日本、英国和法国也先后举 办了金属间化合物国际研讨会。 t i m 基金属间化合物是当今基金属间化合物研究的最热点。通过研究已 知，d o l 9 结构的n i ，a 1 相在l i o 结构的t i a i 基体相中所占比例及其分布决定了 合金的力学性能。通过大量实验，人们摸索出了不少有关工艺过程一微观结构的 关系。通过控制熔铸及凝固工艺和采用喷射成型、预合金粉末积热机械处理工 艺等方法获得人们所希望的微观结构，进而提高基金属间化合物的力学性能， 使得在9 0 0 c 以下，t i a 基金属间化合物取代n i 基金属间化合物。并且具有密 度小、弹性模量高等特点。t i a i 基金属间化合物的研究工作正处在第一阶段的 末期，其强度与延展性和微观结构的关系还有待进一步完善。t i m 工程化材料 的断裂、弯曲、抗压、抗氧化等特性的研究也同时开展。 1 2 2t i