梁弼宁 曹烁 王慈 刘建荣 杨锐 胡青苗. 高温钛合金中合金原子在α₂相中占位选择的第一性原理研究[J]. 金属学报, DOI: 10.11900/0412.1961.2024.00447.

摘要 相关文章 Metrics 全文: PDF(1257 KB)   摘要: 合金原子在金属间化合物中的占位选择直接影响金属间化合物的性质。α2 (Ti3Al)金属间化合物相是高温钛合金中重要的强化相。受限于高温钛合金复杂的成分构成以及α2相纳米级的尺寸，合金原子在α2相中的Ti亚点阵和Al亚点阵上的占位仍不确定。本工作充分考虑了高温钛合金中α-Ti基体与α2-Ti3Al析出相间的热力学平衡，计算了常用合金化元素在高温钛合金α2相中的优先占位能，明确了这些元素的占位倾向，进而计算了各元素在两种亚点阵上的分配系数。计算结果表明，Sc、V、Cr、Mn、Fe、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Hf、Ta、W、Re和Os完全占据Ti亚点阵；Si、Ni、Cu、Zn、Ga、Ge、Ag、Cd、In、Sn、Pt、Au、Hg、Tl和Pb完全占据Al亚点阵；Co、Rh、Pd和Ir分布在两个亚点阵上。 关键词 ： 高温钛合金,  第一性原理计算,  化学势,  原子占位分配     Abstract：The site occupation of alloying elements on various sublattices of intermetallic compounds directly affects their properties. The precipitation of the α2 phase (Ti3Al intermetallic compound) serves as a key strengthening mechanism in high-temperature titanium alloys. However, due to the complex composition of these alloys and the nanoscale size of the α2-Ti3Al phase, the occupation behavior of alloying elements in α2-Ti3Al remains unclear. Theoretically, this behavior can be predicted by calculating the formation energies of alloying atoms on different sublattices, which requires knowledge of the chemical potentials of the matrix atoms (Ti and Al in Ti3Al) as reference energies. Conventionally, these chemical potentials are approximated by the energies of the elements in their standard states. However, this approach is inadequate for determining site occupations in α2-Ti3Al precipitated in high-temperature alloys, as it neglects the phase equilibrium between the precipitate and matrix, which governs the chemical potentials. In addition, the influence of temperature on site occupation in α2-Ti3Al has not yet been theoretically addressed. In this study, the chemical potentials of Ti and Al are evaluated based on the phase equilibrium between the α-Ti matrix and the α2-Ti3Al precipitate. The formation energies of alloying elements on Ti and Al sublattices are then computed using first-principles methods, and their site preference is assessed by comparing these formation energies. Furthermore, the temperature-dependent partitioning of alloying elements between the two sublattices is determined based on site preference energy. The results show that, at service temperatures of high-temperature titanium alloys, elements such as Sc, V, Cr, Mn, Fe, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Hf, Ta, W, Re, and Os preferentially occupy the Ti sublattice; Si, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge, Ag, Cd, In, Sn, Pt, Au, Hg, Tl, and Pb preferentially occupy the Al sublattice; while Co, Rh, Pd, and Ir distribute over both sublattices.  Key words： high temperature titanium alloy    first-principles calculation    chemical potential    occupation preference 收稿日期: 2024-12-30      基金资助:国家自然科学基金;国家自然科学基金;国家科技重大专项 服务 把本文推荐给朋友 加入引用管理器 E-mail Alert RSS 作者相关文章 梁弼宁 曹烁 王慈 刘建荣 杨锐 胡青苗 44.8K 链接本文: https://www.ams.org.cn/CN/Y0/V/I/0 [1] 孟祥龙, 刘瑞良, Li D. Y.. 钽合金表面渗碳层中碳化物析出及其性能的第一性原理研究[J]. 金属学报, 2025, 61(5): 797-808. [2] 罗列文, 王明洋, 高志明, 夏大海, 邓意达, 胡文彬. 高强铝合金晶界氢陷阱的原子尺度作用机制[J]. 金属学报, 2025, 61(11): 1747-1757. [3] 王京京, 姚志浩, 张鹏, 赵杰, 张迈, 王蕾, 董建新, 陈迎. 镍基高温合金中S元素对基体与热障涂层界面稳定性的影响[J]. 金属学报, 2024, 60(9): 1250-1264. [4] 周彦余, 李江旭, 刘晨, 赖俊文, 高强, 马会, 孙岩, 陈星秋. 金属间化合物Pt7Sb投影Berry相位与析氢催化关联的第一性原理计算[J]. 金属学报, 2024, 60(6): 837-847. [5] 杨谨菡, 闫海乐, 刘昊轩, 赵莹, 杨一俏, 赵骧, 左良. A2BTi型磁性功能合金相稳定性、磁性与力学性能的第一性原理计算和实验研究[J]. 金属学报, 2024, 60(12): 1701-1709. [6] 赵晋彬, 王建韬, 何东昌, 李俊林, 孙岩, 陈星秋, 刘培涛. 氢化物超导体临界转变温度的机器学习模型[J]. 金属学报, 2024, 60(10): 1418-1428. [7] 王硕, 王俊升. Al-Li合金中 δ′/θ′/δ′复合沉淀相结构演化及稳定性的第一性原理探究[J]. 金属学报, 2022, 58(10): 1325-1333. [8] 毛斐, 吕皓, 唐法威, 郭凯, 刘东, 宋晓艳. Mn和In添加对SmCo7结构稳定性及磁矩影响的第一性原理计算[J]. 金属学报, 2021, 57(7): 948-958. [9] 张海军, 邱实, 孙志梅, 胡青苗, 杨锐. 无序β-Ti1-xNbx合金自由能及弹性性质的第一性原理计算:特殊准无序结构和相干势近似的比较[J]. 金属学报, 2020, 56(9): 1304-1312. [10] 白静, 石少锋, 王锦龙, 王帅, 赵骧. Ni-Mn-Ga-Ti铁磁形状记忆合金的相稳定性和磁性能的第一性原理计算[J]. 金属学报, 2019, 55(3): 369-375. [11] 董彩虹, 刘永利, 祁阳. 厚度对Bi薄膜表面特性和电学性质的影响[J]. 金属学报, 2018, 54(6): 935-942. [12] 周刚, 叶荔华, 王皞, 徐东生, 孟长功, 杨锐. 六角结构金属中基面/柱面取向转变的孪晶路径及合金化效应的第一性原理研究[J]. 金属学报, 2018, 54(4): 603-612. [13] 白静,李泽,万震,赵骧. Ni-Mn-Ga-Cu铁磁形状记忆合金的晶体结构、相稳定性和磁性能的第一性原理研究[J]. 金属学报, 2017, 53(1): 83-89. [14] 李少强，陈志勇，王志宏，刘建荣，王清江，杨锐. 一种快速凝固粉末冶金高温钛合金微观组织特征研究[J]. 金属学报, 2013, 29(4): 464-474. [15] 张旭东,王绍青. Al3Sc和Al3Zr金属间化合物热力学性质的第一性原理计算[J]. 金属学报, 2013, 29(4): 501-505. Viewed Full text Abstract Cited   Shared      Discussed