钛原子掺杂浓度对钛铝合金热力学性质影响的第一性原理研究

摘要

近年来，Ti-Al合金由于具有低密度、高强度和高弹性模量、良好的抗蠕变和抗氧化性能且制备成本低廉等一系列优良特性，成为合金材料学领域的研究热点。然而由于实验技术条件的局限性，目前关于Ti原子掺杂浓度对Ti-Al合金性质的影响及其背后的物理机制尚不明确。本文采用基于量子力学与密度泛函理论的第一性原理算法，结合虚晶近似和准简谐德拜模型，对不同Ti原子掺杂浓度下的Ti-Al合金的热学和力学性能进行了计算模拟。研究了不同压力温度条件下Ti原子掺杂浓度对Ti-Al合金状态方程、体模量、热膨胀系数、以及定容比热容的影响，讨论了其背后的物理本质。研究结果表明：高温高压下Ti原子掺杂使得TiAl合金较纯Al的体积、热膨胀系数减小，体模量、定容比热容增大，并在相同条件下Ti原子掺杂浓度在15%范围内的影响最大，从而使Ti-Al合金热力学性质有较大提升，为本文研究的浓度最佳掺杂比。本文的研究结果不仅构建了Ti-Al合金微观结构与其宏观物理特性之间的桥梁，为其材料的工程应用提供理论支撑，还有利于进一步理解原子浓度对合金热力学性质影响的微观物理起源，为制备新型合金提供理论参考。

关键词

Ti-Al合金 / 第一性原理 / 热力学性质