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ti-al合金系液态结构，动力学和热力学性质的从头算分子动力学研究

Ti-Al合金系液态结构，动力学和热力学性质的从头算分子动力学研究

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作者：徐婷婷山东大学

学位级别：硕士

合金的凝固过程对其宏观性能有重要影响,作为加工过程的母相,液态合金的结构研究对于合金加工及合金设计具有重要意义。液态合金中存在的短程有序结构与中程有序结构对于研究凝固过程的形核至关重要。本文采用从头算分子动力学方法（AIM... 详细信息

合金的凝固过程对其宏观性能有重要影响,作为加工过程的母相,液态合金的结构研究对于合金加工及合金设计具有重要意义。液态合金中存在的短程有序结构与中程有序结构对于研究凝固过程的形核至关重要。本文采用从头算分子动力学方法（AIMD）,在等温和等过热度两种模式下计算和分析了 ti-al合金系的液态结构,自扩散系数和混合焓及形成焓,同时还研究了实用ti合金ti6A14V的液态结构,探讨了液-固结构的相关性。研究发现,在两种计算模式下富ti和富al的稀合金端,合金的中程有序性较强,在其他成分范围内,短程结构有序性更强。偏偶相关函数,配位数以及HA键对的分析结果表明,异类原子间的相互作用力强于同类原子。在整个液态合金成分范围内,二十面体短程有序结构占据主导地位。随着al含量的增多,短程有序结构减少而无序结构增多,在富ti合金中,除了二十面体外,类bcc结构的原子团簇含量较高,我们认为这种团簇的存在降低了固液界面能,而固液界面能影响着凝固过程中的形核和形貌选择。计算得到的混合焓的大小和不对称性都与实验值符合良好,最小值位于55at.%al左右,基于亚正规溶体模型可以得出,富al一侧的异类原子间相互作用比富ti 一侧强约50%。研究发现了 Ti-Al液态合金中自扩散系数随成分变化与短程有序度的演化密切相关。在50 at.%al之前,两种模式下计算的ti原子和al原子的自扩散系数均产生了相互耦合的现象,两种原子以相似的方式一起运动;随着al含量的增加,两种原子的自扩散系数开始解耦,等温和等过热度计算的结果开始出现差异。在恒定温度下计算得到的自扩散系数Dal剧烈上升,而Dti只有小幅度上升,此时液态合金中的短程有序度减小而无序度上升;在等过热度条件下计算的Dal随着al含量增多先逐渐增加,在大于95 at.%时反而开始下降,此时短程有序结构也发生了相应的变化,在95 at.%al之前逐渐下降而后增加。也就是说,在液态ti-al合金中,原子的扩散被有序结构所限制,而被无序结构所推动。在恒温条件下根据原子的自扩散系数估算的液态ti-al合金的粘度,与文献报道值有较好的一致性。通过对液体状态下富ti端的单相α钛合金ti92al8（对应商用钛合金牌号为TA7）、单相β钛合金ti86V14（对应商用钛合金牌号为TB6）和双相α+β钛合金ti86al10V4（对应商用钛合金牌号为TC4）的偏偶相关函数进行研究,我们发现,在ti92al8液态合金中,异类原子间的相互作用强于同类原子,在ti86V14液态合金中,异类原子和同类原子的相互作用接近,在ti86al10V4中,al-al和V-V间额相互作用较弱,可能存在富al和富V的固溶体类短程序结构。配位数比率和名义比率的差值显示,在ti86al10V4合金中al原子和V原子更倾向于分别和ti原子配位,化学序较弱,容易形成固溶体。在三元合金的短程有序原子团簇中,类bcc结构含量较高,仅次于液态结构中常见的二十面体,我们推测这种结构的存在降低了固液界面能,使得bcc结构的β-ti成为高温固体的主要晶体结构。

关键词：从头算分子动力学 Ti-Al液态合金液态结构自扩散系数混合焓

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