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5d过渡金属在Ni_3Al中掺杂效应的第一性原理研究

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稀有金属材料与工程 2014年第6期43卷 1381-1386页

作者：文志勤赵宇宏侯华韩培德中北大学山西太原030051 太原理工大学山西太原030024

5d过渡金属Hf、Ta、W、Re、Ir被广泛地应用于第4、5代镍基单晶高温合金中,但对于其机理却没有系统的理论研究。采用基于密度泛函理论(density functional theory)的第一性原理平面波超软赝势方法研究5d过渡金属Hf、Ta、W、Re、Ir掺杂镍... 详细信息

5d过渡金属Hf、Ta、W、Re、Ir被广泛地应用于第4、5代镍基单晶高温合金中,但对于其机理却没有系统的理论研究。采用基于密度泛函理论(density functional theory)的第一性原理平面波超软赝势方法研究5d过渡金属Hf、Ta、W、Re、Ir掺杂镍基单晶高温合金γ′-Ni3Al相前后系统的晶格常数、形成热、结合能、态密度、差分电荷密度及电荷布局。计算结果表明:5d过渡金属Hf、Ta、W、Re、Ir掺杂Ni3Al系统后有优先占据Al原子位置的倾向,且与周围的Ni 3d电子和Al 3p电子发生强烈的轨道杂化,使电子被束缚,离域性变小,峰变窄;掺杂前系统中主要是Ni原子与最近的Al原子之间的共价键作用,掺杂后系统中主要是Ni原子与最近的X原子(Hf、Ta、W、Re、Ir)之间的共价键作用,且随原子序数的增大共价键逐渐增强。

关键词：第一性原理 Ni3Al 电子结构掺杂效应

压力对PbTiO_(3)结构和热物性质影响的第一性原理研究

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无机材料学报 2022年第7期37卷 787-794页

作者：文志勤黄彬荣卢涛仪邹正光桂林理工大学材料科学与工程学院桂林541004

PbTiO_(3)是一种重要的铁电功能材料,但压力对其结构、稳定性、力学和热力学性能的影响尚不明确,从而限制了其在电子通讯领域的应用。本研究采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了压力下四方铁电相钛酸铅(TP-PTO)、立方顺电相钛... 详细信息

PbTiO_(3)是一种重要的铁电功能材料,但压力对其结构、稳定性、力学和热力学性能的影响尚不明确,从而限制了其在电子通讯领域的应用。本研究采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了压力下四方铁电相钛酸铅(TP-PTO)、立方顺电相钛酸铅(CP-PTO)、四方前驱体相钛酸铅(PP-PTO)结构和热物性质。研究发现,三种结构可压缩性由大到小依次为PP-PTO>TP-PTO>CP-PTO。能带结构和态密度均表明PTO在研究的压力范围内未发生相变。PTO带隙随着压力增大逐渐降低,TP-PTO在20 GPa由间接带隙半导体转变为直接带隙半导体,其余两相在压力下恒为直接带隙半导体。PTO在0~30 Gpa范围力学稳定,且具有各向异性,其综合力学性能随着压力的增加而增强,各向异性则是先降低后升高。通过准谐德拜近似理论研究了温度和压力对PTO德拜温度、熵、热容的影响,结果表明德拜温度随着温度上升而下降,随着压力增大而上升,反映出共价键强度依次为CP-PTO>TP-PTO>PP-PTO。熵和热容随着温度上升而上升,随着压力的增大而下降。

关键词：钛酸铅电子结构弹性力学第一性原理

Inconel 718合金的相及界面性质的第一性原理研究

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Inconel 718合金的相及界面性质的第一性原理研究

作者：文志勤中北大学

学位级别：硕士

Inconel718合金由于在高温下具有高强度、高韧性、良好的抗疲劳、抗氧化腐蚀性等优点，而广泛应用于制造航空发动机、燃气轮机等热端关键部件。随着航空航天、兵器等国防工业领域的飞速发展，对镍基合金的综合性能提出了更高的要求。Inc... 详细信息

Inconel718合金由于在高温下具有高强度、高韧性、良好的抗疲劳、抗氧化腐蚀性等优点，而广泛应用于制造航空发动机、燃气轮机等热端关键部件。随着航空航天、兵器等国防工业领域的飞速发展，对镍基合金的综合性能提出了更高的要求。Inconel718合金的主强化相γ″-Ni3Nb和辅助强化相γ′-Ni3X (X=Al、Ti、Si…)直接影响到合金的综合机械性能。同时基体相与强化相形成的界面对合金的性能也有一定的影响。因此，从原子角度研究Inconel718合金的相及界面性质对理解合金作用机理具有重要意义，并为设计新一代镍基高温合金提供理论指导。本文采用CASTEP软件包计算了γ-Ni、γ′-Ni3X (X=Al、Ti、Si)和γ″-Ni3Nb结构、力学和电子结构等性质;研究了压力对各相力学和热学性质的影响;最后研究了不同堆积方式的Ni/Ni3X (X=Al、Ti、Si、Nb)(001)界面的粘附功Wad、断裂韧性G、界面能γi和电子结构，进而阐明了液相Ni在Ni3X颗粒上的形核潜能，主要结论如下：Ni3Nb是Inconel718合金中最容易生成的且最稳定的强化相。Ni、Ni3X (X=Al、Ti、Si、Nb)在0～50GPa下，弹性常数Cij、体模量B、剪切模量G、杨氏模量E都随压力的增大而增大。说明增大压力能提高合金的抗体积变形、抗剪切变形及硬度，从而合金的综合力学性能也随之提高。各相在0～50GPa下均是延展性和各向异性材料，且随压力增大延展性变好、各向异性系数增大。各相的德拜温度随着压力的增大而增大，且增长率逐渐减小。它们的德拜温度ΘD按Ni>Ni3Si>Ni3Ti>Ni3Al>Ni3Nb顺序依次递减。同时，计算出不同压力下的横波声速vs、纵波声速vl和平均声速vm弥补了实验空白，为将来的实验提供理论预测。分析Ni、Ni3X (=Al, Ti, Si, Nb)的态密度可知，各相在压力达到50GPa时仍然是稳定的且没有发生相的转变，随压力的增大原子间的相互作用势逐渐增大。计算的布里渊区电荷数和键长可以看出，X原子与Ni原子共用电子对随压力的增大而增大，键长反而减小，说明各相的共价键随着压力的增大而增强。这就是压力影响各相的结构、力学和热学等性质的根本原因。在Ni+X-hollow、Ni-hollow、Ni+X-top、Ni-top四种界面系统中，Ni+X-hollow界面系统具有最大的结合强度和最好的抗裂纹扩展能力。因此，Ni与Ni3X耦合形成界面时，Ni+X-hollow的堆积更可能是持续的自然的堆积方式，且该系统的稳定性和力学性能最好。横向比较Ni/Ni3X界面系统的粘附功可知，Ni与Ni3Ti耦合形成的界面系统在Inconel718合金中稳定性和力学性能最好。Ni+X-hollow界面系统裂纹断裂和扩展更有可能发生在基体相或强化相内，而不是界面处。该界面系统在四种堆积方式中界面能是最低的，说明它是最稳定的。对于Ni/Ni3Al、Ni/Ni3Ti和Ni/Ni3Si界面系统，以top位置堆积的界面系统液相Ni直接在Ni3X颗粒上形核是不可能的;以hollow位置堆积的界面系统在相对较低的过冷度下液相Ni都能直接在Ni3X颗粒上形核;并且Ni+X-hollow界面系统液相Ni在相对较低的过冷度下最容易在Ni3X颗粒上形核。对于Ni/Ni3Nb界面系统，液相Ni不能直接在强化相Ni3Nb颗粒上形核。在以Ni+X为终端的界面系统中，界面处Ni原子和X原子间电荷发生了重新排列，且在费米能级处界面的Ni原子与X原子发生轨道杂化，它们因共用电子对而形成共价键;在Ni为终端的界面系统中，界面处的Ni原子与Ni原子之间形成的是金属键。Ni+X-hollow界面系统的电荷反应比Ni+X-top界面系统强。这是Ni+X-hollow界面系统最稳定、力学性能最好的根本原因。

关键词： Inconel718合金第一性原理 Ni3X(X=Al、Ti、Si、Nb) 力学性质颗粒形核电子结构

高压下Ti_2AlX(X=C,N)的结构、力学性能及热力学性质

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物理学报 2017年第14期66卷 371-376页

作者：邓世杰赵宇宏侯华文志勤韩培德中北大学材料科学与工程学院太原030051 太原理工大学材料科学与工程学院太原030024

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,计算研究了压力对Ti_2AlC与Ti_2AlN结构、力学性能的影响.研究发现压力的增大会使体系的体积比降低,Ti_2AlC压缩性较Ti_2AlN好.力学性能研究发现,压力的增大使材料抵抗变形能力增强,体系的延展性... 详细信息

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,计算研究了压力对Ti_2AlC与Ti_2AlN结构、力学性能的影响.研究发现压力的增大会使体系的体积比降低,Ti_2AlC压缩性较Ti_2AlN好.力学性能研究发现,压力的增大使材料抵抗变形能力增强,体系的延展性有了很大的提升,当压力超过40 GPa后,Ti_2AlC与Ti_2AlN从脆性材料转变为延性材料,体模量与剪切模量的比值达到1.75,延展性有了很大的提升.通过准谐德拜模型,分析了压力与温度对Ti_2AlC与Ti_2AlN体模量、热容及热膨胀系数的影响.结果表明,随着温度的升高,Ti_2AlN与Ti_2AlC的体模量下降.定容热容与定压热容的变化趋势相同,但在高温下,定容热容遵循Dulong-Petit极限,温度对热容的影响效果较压力明显.温度与压力对Ti_2AlN与Ti_2AlC线膨胀系数的影响主要发生在低温区域.

关键词： Ti2AlN与Ti2AlC 力学性能热力学性质第一性原理

Mg-Al-Si-Ca合金系金属间化合物的电子结构和力学性能的第一性原理计算

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稀有金属材料与工程 2014年第11期43卷 2733-2738页

作者：傅利赵宇宏杨晓敏王楠文志勤韩培德中北大学山西太原030051 太原理工大学山西太原030024

采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法,计算了Mg-Al-Si-Ca合金系金属间化合物Mg2Si,Mg2Ca,Al2Ca以及Si2Ca四相的形成焓,结合能,弹性常数及态密度。形成焓和结合能的计算结果表明:Al2Ca的合金化能力最强,Si2Ca相的结构最稳定... 详细信息

采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法,计算了Mg-Al-Si-Ca合金系金属间化合物Mg2Si,Mg2Ca,Al2Ca以及Si2Ca四相的形成焓,结合能,弹性常数及态密度。形成焓和结合能的计算结果表明:Al2Ca的合金化能力最强,Si2Ca相的结构最稳定;体模量(B)、剪切模量(G)、杨氏模量(E)和泊松比(ν)的计算结果表明:四相均为脆性相,且Mg2Si相的塑性最差,结合弹性模量和态密度分析,得出Mg2Ca的塑性最好;态密度和Mulliken布居分析表明:四相中均存在离子键和共价键,共价键由强到弱顺序为Si2Ca,Al2Ca,Mg2Si,Mg2Ca;而离子键强弱顺序按Mg2Si,Al2Ca,Si2Ca,Mg2Ca依次递减;而Si2Ca最稳定的原因是其共价键比其他三相更强。

关键词：第一性原理镁合金金属间化合物电子结构弹性常数

A first-principles study on interfacial properties of Ni(001)/Ni_3Nb(001)

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Transactions of Nonferrous Metals Society of China 2014年第5期24卷 1500-1505页

作者：文志勤赵宇宏侯华王楠傅利韩培德中北大学材料科学与工程学院太原030051 太原理工大学材料科学与工程学院太原030024

The Ni （001） surface, Ni3Nb （001） surface and Ni （001）/Ni3Nb （001） interfaces were studied using the first-principles pseudopotential plane-wave method. The adhesion work, thermal stability and electronic structure of Ni/Ni3Nb （001） interfaces were calculated to expound the influence of atom termination and stacking sequence on the interface strength and stability. Simulated results indicate that Ni and Ni3Nb （001） surface models with more than eight atomic layers exhibit bulk-like interior. The （Ni＋Nb）-terminated interface with hollow site stacking has the largest cohesive strength and critical stress for crack propagation and the best thermal stability among the four models. This interfacial Ni and the first nearest neighbor Nb atoms form covalent bonds across the interface region, which are mainly contributed by Nb 4d and Ni 3d valence electrons. By comparison, the thermal stability of Ni/Ni3Nb （001） interfaces is worse than Ni/Ni3A1 （001） interface, implying that the former is harder to form. But the Ni/Ni3Nb interface can improve the mechanical properties ofNi-based superalloys.

关键词： Ni3Nb first-principles interface electronic structure

Ti合金化Mg_2Ni氢化物能量和电子结构的第一性原理研究

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稀有金属材料与工程 2014年第5期43卷 1123-1127页

作者：王楠侯华赵宇宏杨晓敏傅利文志勤韩培德中北大学山西太原030051 太原理工大学山西太原030024

采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法,计算Ti掺杂Mg2Ni储氢合金及其氢化物的能量和电子结构。计算结果表明:在掺杂浓度为0≤x≤0.5的情况下,Ti优先占据Mg(II)位,Ti的掺杂使Mg2Ni合金稳定性降低,且随着掺杂浓度的升高,对稳... 详细信息

采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法,计算Ti掺杂Mg2Ni储氢合金及其氢化物的能量和电子结构。计算结果表明:在掺杂浓度为0≤x≤0.5的情况下,Ti优先占据Mg(II)位,Ti的掺杂使Mg2Ni合金稳定性降低,且随着掺杂浓度的升高,对稳定性的削弱效果逐渐增强。六方结构的固溶体合金Mg(2-x)TixNi(0≤x≤0.5)相对于立方结构的Mg3TiNi2化合物呈现热力学不稳定性,极易分解为Mg3TiNi2和Mg2Ni组成的复合相。Ti的掺杂使低能级区域的成键电子数减少,削弱了H-Ni的成键作用,提高了Mg2Ni氢化物的解氢能力。

关键词： Mg2Ni Mg3TiNi2 相结构稳定性解氢能力

压力下Ni-Sn化合物力学性能和电子结构的第一性原理

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特种铸造及有色合金 2017年第2期37卷 208-213页

作者：王娟侯华赵宇宏文志勤韩培德中北大学材料科学与工程学院太原理工大学材料科学与工程学院

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了压力对Ni-Sn二元化合物的结构、稳定性和力学性能的影响。结果发现,未施加压力时各化合物的晶格常数计算值与试验值相符合,0~50GPa范围内,随压力增大,相对体积V/V0不断减小且趋势减缓;形成... 详细信息

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了压力对Ni-Sn二元化合物的结构、稳定性和力学性能的影响。结果发现,未施加压力时各化合物的晶格常数计算值与试验值相符合,0~50GPa范围内,随压力增大,相对体积V/V0不断减小且趋势减缓;形成焓均为负值,且随着压力的增大形成焓减小,说明增大压力可提高化合物的合金化能力。此外,还发现压力的提高可增大化合物的硬度,另外,所有Ni-Sn二元化合物均为延性和塑性的;从原子角度解释了压力对化合物力学性能的影响,说明增大压力可提高化合物的综合力学性能。

关键词：第一性原理 Ni-Sn化合物力学性能电子结构

3d过渡元素掺杂对TiAl合金力学性能及电子性质的理论研究

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兵器材料科学与工程 2017年第5期40卷 64-68页

作者：邓世杰赵宇宏侯华文志勤韩培德中北大学材料科学与工程学院山西太原030051 太原理工大学材料科学与工程学院山西太原030024

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,计算研究Cr、Mn、Fe和Co元素掺杂TiAl体系的择优占位取向、晶体结构、延性和电子性质。结果发现:金属元素掺杂可以改善材料的立方度,从而提升材料的塑性,浓度对Co元素影响不大,轴比稳定在1以上;... 详细信息

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,计算研究Cr、Mn、Fe和Co元素掺杂TiAl体系的择优占位取向、晶体结构、延性和电子性质。结果发现:金属元素掺杂可以改善材料的立方度,从而提升材料的塑性,浓度对Co元素影响不大,轴比稳定在1以上;掺杂后体系B G增大,且随浓度的增加而增大,材料的延性有很大提升,Co元素对于增强TiAl延性效果显著。分析Co元素掺杂体系的电子性质发现,掺杂元素利于抑制Ti-Al键相互作用,从而降低金属脆性,提升延展性,掺杂浓度升高,延展性进一步提升。

关键词： TiAl合金掺杂力学性质电子结构