1-17、服役于成分设计的钛基合金基础数据高通量测量与计算

刘立斌¹，胡青苗²，宋岩³，蔡格梅¹，代建红³，曾丽君¹，白伟明¹，吴迪¹

1.中南大学材料科学与工程学院，2.中国科学院金属研究所，3.哈尔滨工业大学（威海）

摘要：在国家十三五重点研究计划“材料基因工程关键技术与支撑平台”“航空用先进钛基合金集成计算设计与制备”项目课题一的支持下，我们针对服役于成分设计的钛基合金基础数据开展了高通量测量与计算，取得了如下成果：

通过运用EMTO-CPA相干势近似方法克服了常规第一原理计算计算无序体系时计算量大而且成分不能连续变化的问题，精确计算了多元钛合金体系的相稳定性、弹性常数与滑移势垒，确定了不同合金元素对钛合金中弹性常数和相稳定性的影响，解释了TiAl合金变形过程中的不均匀流变现象。TM元素同时增加α相相对于β及γ相的稳定性，显著降低α相的弹性常数；SM元素对α相对稳定性的影响较小，但显著增加α相对于β相的稳定性，对弹性常数影响较小。

图1. 过渡金属元素（TM）和简单金属元素（SM）对α相相对于β及γ相的稳定性的影响

运用VASP高通量地计算了钛基合金表面原子对氧原子的吸附能、氧原子穿过钛合金原子层的扩散势垒和表面氧化物的附着力，预测了氧原子在钛基合金表面的吸附位置与提高钛基合金氧化物附着力，提高钛基合金抗氧化性的方法。计算表明：Ti₂AlNb氧化时将更易于生成Ti或Nb的氧化物，而不是Al的氧化物；Y, Nb 和Pd能改善TiO₂和TiAl间的结合，提高TiAl金属间化合物的抗氧化性能。

表1 计算的TiAl-M/TiO₂的分离能

运用扩散多元节的高通量实验方法，测量了大量的钛合金相图与扩散系数，并在此基础上建立了钛合金的热力学和动力学数据库。对Ti合金α相Gibbs自由能曲线、相分数与扩散浓度梯度的计算表明，计算结果准确地预测了Cr、Mo、Zr在Ti6Al4V合金中的扩散，与含6%Cr, 6%Mo, 或35%Zr合金中的伪调幅分解现象，有效地指导了合金的材料成分设计。

图2. Ti-Cr,Ti-Mo,Ti-Nb,Ti-V,Ti-Hf,Ti-Zr体系扩散系数高通量测量

图3. Ti-Al-V-Cr热力学与扩散动力学计算与实验验证

通讯作者：刘立斌，电话：13549686289，Email: lbliu@csu.edu.cn

DOI:10.12110/secondfmge.20181014.117