γ-TiAl/TiO2界面的电子结构及合金元素对其影响的第一性原理研究

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γ-T-Al作为航天、航空及汽车工业所用结构材料一直备受关注。本文基于第一性原理,计算研究了γ-TiAl及其氧化物金红石结构TiO2所构成的界面的结合强度问题,并基于构建的界面模型,讨论合金元素Nb、Si对界面的影响,在理论上从界面角度探讨合金元素有效提高TiAl抗氧化能力的原因。我们构建了两种γ-T-Al(111)/TiO2(110)界面模型,计算了界面结合能,结果分别为1.86J/m2和1.90J/m2。与其他金属/氧化物界面相比,γ-T-Al(111)/TiO2(110)界面的结合强度较弱。当沿垂直于界面方向对界面进行拉伸时,并非从界面处断开,而是原本属于TiO2中最接近界面处的氧原子与Ti02中的Ti断键,形成含有氧空位的TiO2(110)和氧吸附的γ-TiAl(111)。通过电子结构讨论,发现新断点的产生主要源于合金表面与TiO2中桥位置O原子较强的相互作用。此外,我们进一步讨论了合金元素Nb、Si对界面结构及结合强度的影响。计算结果表明:由于Nb原子优先占据TiAl层中第二层的Ti原子位置,距离界面较远,故对界面的影响极小。而Si原子优先占据最近邻界面的TiAl层中的Al原子,并有效的增大了断点处的界面结合强度。通过对电子结构的讨论,我们发现Si原子与周围金属原子较强的相互作用提高了TiAl与Ti02之间的结合强度,从而使氧化层不易脱落。由此看来,Si对TiAl及其氧化物界面的增强作用也许是Si掺杂能够有效提高TiAl抗氧化能力的原因之一。
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