鈮鋁高溫合金的增韌抗氧化改性及其沖擊波合成研究.pdf

1、隨著航空航天技術(shù)的飛速發(fā)展與進(jìn)步，具有耐高溫、高比強(qiáng)度、抗蠕變強(qiáng)度和抗氧化性能好的高溫結(jié)構(gòu)材料曰益受到重視。與Fe-Al系、Ni-Al系和Ti-Al系高溫合金相比，具有高熔點(diǎn)、低密度、較高使用溫度的鈮鋁合金被視為最有潛力的超高溫材料之一。然而鈮鋁高溫合金的脆性、較弱的高溫強(qiáng)度和抗氧化性限制了其在工業(yè)中的應(yīng)用，其微觀結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能、斷裂和氧化機(jī)理的關(guān)系仍有待進(jìn)一步闡明。
　　鑒于此，本論文研究了鈮鋁高溫合金對(duì)壓力和軸向拉伸的響應(yīng);利

2、用CALYPSO軟件和結(jié)構(gòu)類(lèi)比法預(yù)測(cè)了鈮鋁合金的新結(jié)構(gòu);研究了合金表面的穩(wěn)定性特征，并基于此研究了B原子替代提高合金抗氧化性的可行性，為提高鈮鋁合金的抗氧化性提供依據(jù)。此外，利用沖擊波合成方法制備了鈮鋁高溫合金。
　　研究表明，由于Nb-4d和Al-3p的雜化作用，四方Nb2Al中存在共價(jià)性成鍵，并在0～100GPa范圍內(nèi)保持穩(wěn)定;利用Voigt-Reuss-Hill方法計(jì)算的體彈模量、剪切模量、楊氏模量、B/G和泊松比表明四方N

3、b2Al在高壓下具有延展性;得到了高壓下四方Nb2Al的德拜溫度等熱力學(xué)數(shù)據(jù)。四方NbAl3和立方Nb3Al的結(jié)構(gòu)參數(shù)隨著壓力的增加而線(xiàn)性降低;由于高壓下Nb-4d和Al-3p之間雜化作用的增加，導(dǎo)致兩種化合物共價(jià)性的增強(qiáng);計(jì)算結(jié)果說(shuō)明四方NbAl3在83.2GPa處發(fā)生韌脆性轉(zhuǎn)變。在四方NbAl3的軸向拉伸測(cè)試中，沿[100]和[101]軸向的拉伸使晶體從四方變?yōu)檎唤Y(jié)構(gòu);NbAl3晶體在拉伸中展現(xiàn)脆性，并相應(yīng)的增強(qiáng)了其硬度;研究發(fā)現(xiàn)

4、NbAl3晶體力學(xué)性能的降低是共價(jià)性的減弱所導(dǎo)致的。
　　在CALYPSO軟件預(yù)測(cè)的NbAl3結(jié)構(gòu)中，Cm結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性不如常溫常壓下穩(wěn)定存在的I4/mmm結(jié)構(gòu)，但韌性有一定程度的增加;根據(jù)結(jié)構(gòu)類(lèi)比法設(shè)計(jì)了NbAl3的D023、單斜C1m1、三角R(3)m和L12結(jié)構(gòu)，預(yù)測(cè)了結(jié)構(gòu)相變的發(fā)生，并發(fā)現(xiàn)三角結(jié)構(gòu)具有較好的延展性。Ti元素的添加沒(méi)有明顯改變NbAl3合金的穩(wěn)定性，但NbAl3合金的a軸和c軸的抗變形能力降低，抗體積變形和抗剪

5、切變形能力減弱，而韌性有所改善。
　　在表面形成后，Nb2Al(100)終止面的金屬性增強(qiáng)，但共價(jià)性降低。計(jì)算得到了Nb2Al(100)和NbAl3低指數(shù)表面的功函數(shù)。原子弛豫和表面能說(shuō)明(111)表面是最穩(wěn)定的化學(xué)計(jì)量比表面;在所有低指數(shù)表面中，(110)-Al終止面在富鋁和富鈮條件下都是最穩(wěn)定的表面?？紤]到B元素活潑性比Al、Nb更強(qiáng)，采用第一性原理進(jìn)行了B原子Al位替代提高NbAl3抗氧化的可行性研究，結(jié)果表明B原子替代后可

6、與附近原子形成強(qiáng)離子鍵，吸引附近的原子;NbAl3(100)表面中Al1替代位穩(wěn)定性強(qiáng)于同原子層的Al2替代位，并且兩種替代位的穩(wěn)定性均隨著原子層數(shù)的增加而降低，因此B原子替代后可自發(fā)的沿著Al1替代位從晶體內(nèi)部向表面偏聚，并在晶體表面與氧形成有效的抗氧化層。
　　在實(shí)驗(yàn)制備中，利用二級(jí)輕氣炮加載手段，研究了沖擊波合成方法制備鈮鋁合金的可行性。通過(guò)設(shè)計(jì)和改進(jìn)樣品回收盒，在2.52 km/s和2.60 km/s沖擊速度下成功制備鈮鋁