搜索

文章查询

x

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

基于密度泛函理论的La掺杂-TiAl体系结构延性与电子性质

宋庆功 赵俊普 顾威风 甄丹丹 郭艳蕊 李泽朋

基于密度泛函理论的La掺杂-TiAl体系结构延性与电子性质

宋庆功, 赵俊普, 顾威风, 甄丹丹, 郭艳蕊, 李泽朋
PDF
导出引用
导出核心图
  • 采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,计算研究了La替位Ti或Al且掺杂浓度分别为1.85 at.%,2.78 at.%,4.17 at.%,6.25 at.%,8.33 at.%,12.5 at.%的-TiAl合金的晶体结构、稳定性和延性等性质.结果显示,杂质La浓度x12.5 at.%,各个体系均具有较好的能量稳定性,即在一定条件下它们是可以实验制备的,且掺杂合金体系的密度4.6 gcm-3.La掺杂引起晶格参量变化进而导致合金体系的轴比发生变化.La的低浓度(x6.25 at.%)掺杂使合金体系的轴比相较纯-TiAl更接近于1,这对于改善材料的延性极为有利,其中Ti11LaAl12体系的轴比最接近于1,预报其延性最佳.通过对比Ti11LaAl12和Ti12Al12体系的布居数、电荷密度和电子态密度,发现Ti11LaAl12体系延性改善的电子因素为:掺杂使体系内Al(Ti)原子轨道上的电子重新分布,Ti-d轨道和Al-p轨道的电子数均减小,可被p-d杂化轨道局域化的电子数减小,p-d轨道杂化键强度降低,从而使位错移动的阻力减少,延性得以明显改善.电子重新分布改变了部分化学键的性质,部分AlTi共价键转化为AlLa离子键,部分TiTi共价键转化为TiLa金属键,它们的共价性及方向性明显降低,材料金属性增强.在掺杂体系中AlAl键的平均强度减弱,AlTi键和TiTi键的平均强度增强,三者的强度差异明显减小,晶体结构的各向异性程度降低.
      通信作者: 宋庆功, qgsong@cauc.edu.cn
    • 基金项目: 国家自然科学基金(批准号:11304380)和中央高校基本科研业务费专项资金(批准号:3122014K001)资助的课题.
    [1]

    Castillo-Rodriguez M, No M L, Jimenez J A, Ruano O A, Juan J S 2016 Acta Mater. 103 46

    [2]

    Bewlay B P, Nag S, Suzuki A, Weimer M J 2016 Mater. High Temp. 33 549

    [3]

    Qian J H, Qi X Z 2002 Chin. J. Rare Metal. 26 477 (in Chinese) [钱九红, 祁学忠 2002 稀有金属 26 477]

    [4]

    Pollock T M 2016 Nat. Mater. 15 809

    [5]

    Kawabta T, Tamura T, Izumi O 1993 Metall. Trans. A 24 141

    [6]

    Song Q G, Qin G S, Yang B B, Jiang Q J, Hu X L 2016 Acta Phys. Sin. 65 046102 (in Chinese) [宋庆功, 秦国顺, 杨宝宝, 蒋清杰, 胡雪兰 2016 物理学报 65 046102]

    [7]

    Yamaguchi M, Ito K 2000 Acta Mater. 48 307

    [8]

    Kawabata T, Izumi O 1987 Philos. Mag. A 55 823

    [9]

    Huang S C, Hall E L 1991 Acta Metall. Mater. 39 1053

    [10]

    Pu Z J, Shi J D, Zou D S, Zhong Z Y 1993 Acta Metall. Sin. 29 31 (in Chinese) [蒲忠杰, 石建东, 邹敦叙, 仲增墉 1993 金属学报 29 31]

    [11]

    10+ Chen G, Peng Y B, Zheng G, Qi Z X, Wang M Z, Yu H C, Dong C L, Liu C T 2016 Nat. Mater. 15 876

    [12]

    Kawabata T, Takezono Y, Kanai T, O Izumi 1988 Acta Metall. Mater. 36 963

    [13]

    Song X P, Chen G L 2002 Acta Metall. Sin. 38 583 (in Chinese) [宋西平, 陈国良 2002 金属学报 38 583]

    [14]

    Yang R 2015 Acta Metall. Sin. 51 129 (in Chinese) [杨锐 2015 金属学报 51 129]

    [15]

    Hu H, Wu X Z, Wang R, Li W G, Liu Q 2016 J. Alloys Compd. 658 689

    [16]

    Yang Z J, Sun H L, Huang Z W, Zhu D G, Wang L H 2015 Mater. Rev.: Rev. 29 85 (in Chinese) [杨镇骏, 孙红亮, 黄泽文, 朱德贵, 王良辉 2015 材料导报:综述篇 29 85]

    [17]

    Xu F S, Geng H R, Wang S R 2009 Rare Metal. Mat. Eng. 38 361 (in Chinese) [徐福松, 耿浩然, 王守仁 2009 稀有金属材料与工程 38 361]

    [18]

    Hadi M, Meratian M, Shafyei A 2015 J. Alloys Compd. 618 27

    [19]

    Chen S Q, Qu X H, Lei C M, Huang B Y 1994 Acta Metall. Sin. 30 20 (in Chinese) [陈仕奇, 曲选辉, 雷长明, 黄伯云 1994 金属学报 30 20]

    [20]

    Greenberg B A, Antonov O V, Indenbaum V N, Karkin L E, Notkin A B, Ponomarev M V, Smirnov L V 1991 Acta Metall. Mater. 39 233

    [21]

    Morinaga M, Saito J, Yukawa N, Adachi H 1990 Acta Metall. Mater. 38 25

    [22]

    Eberhart M E, Clougherty D P, Maclaren J M 1993 Philos. Mag. B 68 455

    [23]

    Qin Y H, Qiao Y J 2015 J. Harbin Inst. Technol. 47 123 (in Chinese) [秦永和, 乔英杰 2015 哈尔滨工业大学学报 47 123]

    [24]

    Paul R, Katherine C E, Philip D F A, Casey F, Malia B W, Aurelio M, Matthias Z, Sorelle A F, Joshua S, Alexander J N 2016 Nature 533 73

    [25]

    Song Q G 2004 Chin. Sci. Bull. 49 210

    [26]

    Chen G L, Lin J P 1999 Physicalmetallurgy Basis of Ordered Intermetallic Compound Structure Materials (Beijing: Metallurgical Industry Press) p285 (in Chinese) [陈国良, 林均品 1999 有序金属间化合物结构材料物理金属学基础 (北京: 冶金工业出版社) 第285页]

    [27]

    Shang J X, Yu T B 2009 Acta Phys. Sin. 58 1179 (in Chinese) [尚家香, 于潭波 2009 物理学报 58 1179]

    [28]

    Pugh S F 1954 Philos. Mag. 45 823

    [29]

    Fu C L 1990 J. Mater. Res. 5 971

    [30]

    Huang Y Y, Wu W M, Deng W, Zhong X P, Xiong L Y, Cao M Z, Long Q W 2000 Chin. J. Nonferr. Met. 10 796 (in Chinese) [黄宇阳, 吴伟明, 邓文, 钟夏平, 熊良钺, 曹名洲, 龙期威 2000 中国有色金属学报 10 796]

    [31]

    Dang H L, Wang C Y, Yu T 2007 Acta Phys. Sin. 56 2838 (in Chinese) [党宏丽, 王崇愚, 于涛 2007 物理学报 56 2838]

    [32]

    Liu X K, Liu Y, Zheng Z, Dai J L 2010 Rare Metal. Mat. Eng. 39 832 (in Chinese) [刘显坤, 刘颖, 郑州, 代君龙 2010 稀有金属材料与工程 39 832]

  • [1]

    Castillo-Rodriguez M, No M L, Jimenez J A, Ruano O A, Juan J S 2016 Acta Mater. 103 46

    [2]

    Bewlay B P, Nag S, Suzuki A, Weimer M J 2016 Mater. High Temp. 33 549

    [3]

    Qian J H, Qi X Z 2002 Chin. J. Rare Metal. 26 477 (in Chinese) [钱九红, 祁学忠 2002 稀有金属 26 477]

    [4]

    Pollock T M 2016 Nat. Mater. 15 809

    [5]

    Kawabta T, Tamura T, Izumi O 1993 Metall. Trans. A 24 141

    [6]

    Song Q G, Qin G S, Yang B B, Jiang Q J, Hu X L 2016 Acta Phys. Sin. 65 046102 (in Chinese) [宋庆功, 秦国顺, 杨宝宝, 蒋清杰, 胡雪兰 2016 物理学报 65 046102]

    [7]

    Yamaguchi M, Ito K 2000 Acta Mater. 48 307

    [8]

    Kawabata T, Izumi O 1987 Philos. Mag. A 55 823

    [9]

    Huang S C, Hall E L 1991 Acta Metall. Mater. 39 1053

    [10]

    Pu Z J, Shi J D, Zou D S, Zhong Z Y 1993 Acta Metall. Sin. 29 31 (in Chinese) [蒲忠杰, 石建东, 邹敦叙, 仲增墉 1993 金属学报 29 31]

    [11]

    10+ Chen G, Peng Y B, Zheng G, Qi Z X, Wang M Z, Yu H C, Dong C L, Liu C T 2016 Nat. Mater. 15 876

    [12]

    Kawabata T, Takezono Y, Kanai T, O Izumi 1988 Acta Metall. Mater. 36 963

    [13]

    Song X P, Chen G L 2002 Acta Metall. Sin. 38 583 (in Chinese) [宋西平, 陈国良 2002 金属学报 38 583]

    [14]

    Yang R 2015 Acta Metall. Sin. 51 129 (in Chinese) [杨锐 2015 金属学报 51 129]

    [15]

    Hu H, Wu X Z, Wang R, Li W G, Liu Q 2016 J. Alloys Compd. 658 689

    [16]

    Yang Z J, Sun H L, Huang Z W, Zhu D G, Wang L H 2015 Mater. Rev.: Rev. 29 85 (in Chinese) [杨镇骏, 孙红亮, 黄泽文, 朱德贵, 王良辉 2015 材料导报:综述篇 29 85]

    [17]

    Xu F S, Geng H R, Wang S R 2009 Rare Metal. Mat. Eng. 38 361 (in Chinese) [徐福松, 耿浩然, 王守仁 2009 稀有金属材料与工程 38 361]

    [18]

    Hadi M, Meratian M, Shafyei A 2015 J. Alloys Compd. 618 27

    [19]

    Chen S Q, Qu X H, Lei C M, Huang B Y 1994 Acta Metall. Sin. 30 20 (in Chinese) [陈仕奇, 曲选辉, 雷长明, 黄伯云 1994 金属学报 30 20]

    [20]

    Greenberg B A, Antonov O V, Indenbaum V N, Karkin L E, Notkin A B, Ponomarev M V, Smirnov L V 1991 Acta Metall. Mater. 39 233

    [21]

    Morinaga M, Saito J, Yukawa N, Adachi H 1990 Acta Metall. Mater. 38 25

    [22]

    Eberhart M E, Clougherty D P, Maclaren J M 1993 Philos. Mag. B 68 455

    [23]

    Qin Y H, Qiao Y J 2015 J. Harbin Inst. Technol. 47 123 (in Chinese) [秦永和, 乔英杰 2015 哈尔滨工业大学学报 47 123]

    [24]

    Paul R, Katherine C E, Philip D F A, Casey F, Malia B W, Aurelio M, Matthias Z, Sorelle A F, Joshua S, Alexander J N 2016 Nature 533 73

    [25]

    Song Q G 2004 Chin. Sci. Bull. 49 210

    [26]

    Chen G L, Lin J P 1999 Physicalmetallurgy Basis of Ordered Intermetallic Compound Structure Materials (Beijing: Metallurgical Industry Press) p285 (in Chinese) [陈国良, 林均品 1999 有序金属间化合物结构材料物理金属学基础 (北京: 冶金工业出版社) 第285页]

    [27]

    Shang J X, Yu T B 2009 Acta Phys. Sin. 58 1179 (in Chinese) [尚家香, 于潭波 2009 物理学报 58 1179]

    [28]

    Pugh S F 1954 Philos. Mag. 45 823

    [29]

    Fu C L 1990 J. Mater. Res. 5 971

    [30]

    Huang Y Y, Wu W M, Deng W, Zhong X P, Xiong L Y, Cao M Z, Long Q W 2000 Chin. J. Nonferr. Met. 10 796 (in Chinese) [黄宇阳, 吴伟明, 邓文, 钟夏平, 熊良钺, 曹名洲, 龙期威 2000 中国有色金属学报 10 796]

    [31]

    Dang H L, Wang C Y, Yu T 2007 Acta Phys. Sin. 56 2838 (in Chinese) [党宏丽, 王崇愚, 于涛 2007 物理学报 56 2838]

    [32]

    Liu X K, Liu Y, Zheng Z, Dai J L 2010 Rare Metal. Mat. Eng. 39 832 (in Chinese) [刘显坤, 刘颖, 郑州, 代君龙 2010 稀有金属材料与工程 39 832]

  • [1] 宋庆功, 秦国顺, 杨宝宝, 蒋清杰, 胡雪兰. 杂质浓度对Zr替位掺杂-TiAl合金的结构延性和电子性质的影响. 物理学报, 2016, 65(4): 046102. doi: 10.7498/aps.65.046102
    [2] 徐 敏, 沈 雯, 高 瞻, 赵良磊, 姜 蓓, 杨 磊, 张澜庭. La0.4FeCo3Sb12晶体结构的x射线和电子衍射表征. 物理学报, 2005, 54(7): 3302-3306. doi: 10.7498/aps.54.3302
    [3] 王红艳, 朱正和, 唐永建, 毛华平. AunY(n=1—9)掺杂团簇的结构和电子性质研究. 物理学报, 2006, 55(9): 4542-4547. doi: 10.7498/aps.55.4542
    [4] 潘敏, 黄整, 赵勇. 强关联效应下非磁性元素Ir掺杂的SmFeAsO电子结构理论研究. 物理学报, 2013, 62(21): 217401. doi: 10.7498/aps.62.217401
    [5] 胡 妮, 谢 卉, 汪丽莉, 林 颖, 熊 锐, 余祖兴, 汤五丰, 石 兢. Fe掺杂对自旋梯状化合物Sr14(Cu1-yFey)24O41的结构和电输运性质的影响. 物理学报, 2006, 55(7): 3480-3487. doi: 10.7498/aps.55.3480
    [6] 张贺, 骆军, 朱航天, 刘泉林, 梁敬魁, 饶光辉. Cu掺杂AgSbTe2化合物的相稳定、晶体结构及热电性能. 物理学报, 2012, 61(8): 086101. doi: 10.7498/aps.61.086101
    [7] 胡艳春, 王艳文, 张克磊, 王海英, 马恒, 路庆凤. 空穴掺杂Sr2FeMoO6的晶体结构及磁性研究. 物理学报, 2012, 61(22): 226101. doi: 10.7498/aps.61.226101
    [8] 于大龙, 陈玉红, 张材荣, 曹一杰. Li2NH晶体结构建模和电子结构的第一性原理研究. 物理学报, 2010, 59(3): 1991-1996. doi: 10.7498/aps.59.1991
    [9] 李明星, 伏广才, 董 成, 郭 娟, 杨立红. KxCoO2·yH2O(x<0.2,y≤0.8)的晶体结构、输运及磁学性质. 物理学报, 2005, 54(12): 5713-5716. doi: 10.7498/aps.54.5713
    [10] 丁万昱, 王华林, 柴卫平, 巨东英. O2流量对磁控溅射N掺杂TiO2薄膜成分及晶体结构的影响. 物理学报, 2011, 60(2): 028105. doi: 10.7498/aps.60.028105
    [11] 阮文, 谢安东, 余晓光, 伍冬兰. NaBn(n=19)团簇的几何结构和电子性质. 物理学报, 2012, 61(4): 043102. doi: 10.7498/aps.61.043102
    [12] 刘立仁, 雷雪玲, 陈杭, 祝恒江. Bn(n=2—15)团簇的几何结构和电子性质. 物理学报, 2009, 58(8): 5355-5361. doi: 10.7498/aps.58.5355
    [13] 张秀荣, 李扬, 杨星. WnNim(n+m=8)团簇结构与电子性质的理论研究. 物理学报, 2011, 60(10): 103601. doi: 10.7498/aps.60.103601
    [14] 阮文, 余晓光, 谢安东, 伍冬兰, 罗文浪. BnY(n=1–11)团簇的结构和电子性质. 物理学报, 2014, 63(24): 243101. doi: 10.7498/aps.63.243101
    [15] 吴丽君, 随强涛, 张多, 张林, 祁阳. SimGen(m+n=9)团簇结构和电子性质的计算研究. 物理学报, 2015, 64(4): 042102. doi: 10.7498/aps.64.042102
    [16] 彭军辉, 曾庆丰, 谢聪伟, 朱开金, 谭俊华. Hf-C体系的高压结构预测及电子性质第一性原理模拟. 物理学报, 2015, 64(23): 236102. doi: 10.7498/aps.64.236102
    [17] 罗强, 杨恒, 郭平, 赵建飞. N型甲烷水合物结构和电子性质的密度泛函理论计算. 物理学报, 2019, 68(16): 169101. doi: 10.7498/aps.68.20182230
    [18] 张飞鹏, 张静文, 张久兴, 杨新宇, 路清梅, 张忻. Sr掺杂对CaMnO3基氧化物电子性质及热电输运性能的影响. 物理学报, 2017, 66(24): 247202. doi: 10.7498/aps.66.247202
    [19] 王红艳, 李喜波, 罗江山, 吴卫东, 唐永建. 密度泛函理论研究ScnO(n=1—9)团簇的结构、稳定性与电子性质. 物理学报, 2009, 58(9): 6134-6140. doi: 10.7498/aps.58.6134
    [20] 刘博, 王煊军, 卜晓宇. 高压下NH4ClO4结构、电子及弹性性质的第一性原理研究. 物理学报, 2016, 65(12): 126102. doi: 10.7498/aps.65.126102
  • 引用本文:
    Citation:
计量
  • 文章访问数:  370
  • PDF下载量:  152
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2016-11-09
  • 修回日期:  2016-12-10
  • 刊出日期:  2017-03-20

基于密度泛函理论的La掺杂-TiAl体系结构延性与电子性质

  • 1. 中国民航大学理学院低维材料与技术研究所, 天津 300300;
  • 2. 中国民航大学中欧航空工程师学院, 天津 300300
  • 通信作者: 宋庆功, qgsong@cauc.edu.cn
    基金项目: 

    国家自然科学基金(批准号:11304380)和中央高校基本科研业务费专项资金(批准号:3122014K001)资助的课题.

摘要: 采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,计算研究了La替位Ti或Al且掺杂浓度分别为1.85 at.%,2.78 at.%,4.17 at.%,6.25 at.%,8.33 at.%,12.5 at.%的-TiAl合金的晶体结构、稳定性和延性等性质.结果显示,杂质La浓度x12.5 at.%,各个体系均具有较好的能量稳定性,即在一定条件下它们是可以实验制备的,且掺杂合金体系的密度4.6 gcm-3.La掺杂引起晶格参量变化进而导致合金体系的轴比发生变化.La的低浓度(x6.25 at.%)掺杂使合金体系的轴比相较纯-TiAl更接近于1,这对于改善材料的延性极为有利,其中Ti11LaAl12体系的轴比最接近于1,预报其延性最佳.通过对比Ti11LaAl12和Ti12Al12体系的布居数、电荷密度和电子态密度,发现Ti11LaAl12体系延性改善的电子因素为:掺杂使体系内Al(Ti)原子轨道上的电子重新分布,Ti-d轨道和Al-p轨道的电子数均减小,可被p-d杂化轨道局域化的电子数减小,p-d轨道杂化键强度降低,从而使位错移动的阻力减少,延性得以明显改善.电子重新分布改变了部分化学键的性质,部分AlTi共价键转化为AlLa离子键,部分TiTi共价键转化为TiLa金属键,它们的共价性及方向性明显降低,材料金属性增强.在掺杂体系中AlAl键的平均强度减弱,AlTi键和TiTi键的平均强度增强,三者的强度差异明显减小,晶体结构的各向异性程度降低.

English Abstract

参考文献 (32)

目录

    /

    返回文章
    返回