Ti基合金的非晶形成能力的研究

论文摘要

本文以Ti基合金为研究对象,并以Ti-Cu二元体系为重点,采用了第一性原理并结合一些热力学基本方法和计算相图学方法,研究了Ti-Cu二元体系的金属间化合物的性质,以及其在非晶合金的晶化过程中所起的作用。并在此基础上初步研究了Ti-Cu二元体系的非晶形成能力。采用第一性原理计算了Ti-Cu二元体系基态下的稳定化合物的能量、晶格常数和体弹性模量。在与实验值相比较后,得出所采用方法具有较高的准确性。计算了两种亚稳相CuTi和CuTi3的能量,并且得到了它们的体弹性模量、晶格常数和原子坐标以便于和后续的实验数据相比较。同时,做出了Ti-Cu二元体系基态下的能量随成分变化曲线,并由基态下的能量随成分变化曲线推断出了Ti55Cu45非晶合金的晶化产物。在第一性原理的计算的结果的基础上,采用计算相图学的方法重新优化得到了Ti-Cu二元体系的热力学参数,得出了该二元体系的相图。首先,从文献中收集了大量的实验数据并对其中一些数据采用差热分析进行验证,为后面的优化工作打下了良好的基础。之后,在上面收集得到的实验数据的基础上,对Ti-Cu二元体系的热力学参数进行了优化,得出了新的热力学参数。最后,在第二步得到了Ti-Cu二元体系的热力学参数的基础上,做出Ti-Cu二元体系的相图。在相图中,明确的表示出了具有L10结构的CuTi可以存在的温度区间,并将Cu4Ti作为一种金属间化合物来处理,并且将原相图CuTi3附近进行了一些修正。在优化得到的相图的基础上,在CuTi和CuTi3两相共存区里选择了三种成分的合金进行研究,分别为:Ti58Cu42、Ti62Cu38和Ti54Cu46。用磁控钨极电弧炉制备得到了50至70微米厚的非晶合金薄带。采用差示扫描量热法对其热力学性质进行分析,分析结果表明:样品中均存在着非晶相,且在试样中所占的比重均较大。同时,为了研究试样中晶态相的数量与成分,采用了X射线衍射仪来分析样品中的相组成。结果表明:厚度约为50微米的Ti58Cu42,非晶相所占比重较大;而在100微米厚的Ti58Cu42中则出现了较多的晶态相,比较明显的析出相有:Cu3Ti、Cu4Ti3和CuTi2;同样,对于Ti62Cu38非晶合金,增加厚度并没有导致更多的晶化相的析出;Ti54Cu46的XRD谱图,与Ti62Cu38非晶合金类似,表明晶化相的数量无法与非晶相的数量相比较。随后,在共晶点附近选取,并采用了铜盘甩带的方法制备得到了三种成分的非晶合金Ti55Cu45、Ti57Cu43和Ti60Cu40。差示扫描量热法的实验结果表明:这三种样品都含有比较多的非晶相。同时经过计算得到了,目前比较流行的判断Ti基非晶合金玻璃形成能力的判据:约化玻璃温度Trg判据和γ参数,计算结果表明这三种成分的合金具有较大的玻璃形成能力,说明以该体系为基础发展而来的三元或多元体系具有能制备得到大块金属玻璃的可能性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 块体非晶合金的基础理论
• 1.2.1 块体非晶合金的结构特征
• 1.2.2 块体非晶合金的热力学特性
• 1.2.3 块体非晶合金的动力学特性
• 1.3 块体非晶合金玻璃形成能力判据
• 1.3.1 块体非晶合金成分设计的经验原则
• 1.3.2 块体非晶合金玻璃形成能力判据
• 1.4 第一性原理与计算相图学
• 1.4.1 第一性原理的理论基础
• 1.4.2 第一性原理在非晶合金的研究中的应用
• 1.5 计算相图学
• 1.6 Ti 基大块非晶合金的研究现状
• 1.7 学位论文的主要内容
• 第2章 材料制备与研究方法
• 2.1 第一性原理计算
• 2.2 相图计算
• 2.3 试样的制备
• 2.4 分析测试方法
• 2.4.1 热分析
• 2.4.2 X 射线衍射分析
• 第3章 Ti 基合金的第一性原理研究
• 3.1 体系的选择
• 55Cu₄₅ 非晶合金的晶化过程'>3.2 Ti₅₅Cu₄₅非晶合金的晶化过程
• 3.3 Ti-Cu 二元体系的第一性原理研究
• 3.3.1 Ti 和Cu 单质的第一性原理计算.
• 3.3.2 Ti-Cu 二元体系中稳定化合物的第一性原理研究
• 3.4 Ti-Cu 二元体系中亚稳态化合物的第一性原理研究
• 3.4.1 亚稳相的结构
• 3.4.2 计算参数的选择
• 3.4.3 计算结果
• 3.5 基态的convex hull
• 3.6 本章小结
• 第4章 Ti-Cu 二元体系的热力学计算
• 4.1 引言
• 4.2 实验数据的收集
• 4.3 热力学计算时采用的模型
• 4.4 结果与分析
• 4.4.1 优化结果
• 4.4.2 优化得到的相图
• 4.5 本章小结
• 第5章 Ti-Cu 二元体系的非晶形成能力的研究
• 5.1 引言
• 5.2 位于CuTi 和CuTi3 两相共存区的合金的研究
• 5.3 Ti-Cu 二元体系的非晶形成能力的初步研究
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢