本發(fā)明涉及第一性原理領(lǐng)域，具體涉及一種基于第一性原理和相圖計(jì)算的ti2alnb合金設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：

1、ti2alnb合金是一種基于ti3al基合金開發(fā)的輕質(zhì)耐高溫結(jié)構(gòu)材料，由于其屈強(qiáng)比高、較好的室溫塑韌性和抗蠕變性能，以及良好的抗氧化與抗燃燒能力等綜合性能，被認(rèn)為是650℃～750℃條件下最有潛力替代鎳基高溫合金的航空發(fā)動(dòng)機(jī)材料之一，是未來高推重比航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)機(jī)匣、整體葉盤、葉片等關(guān)鍵構(gòu)件的重要選材，但ti2alnb合金的相變機(jī)制較為復(fù)雜，同時(shí)存在本征脆性和高溫力學(xué)性能不足的問題。目前對(duì)于ti2alnb的研究的重點(diǎn)在于通過對(duì)其進(jìn)行合金化來強(qiáng)化該合金，而在研制過程中的成分優(yōu)化，組織的調(diào)控仍是技術(shù)難題，一方面原因是合金的相變復(fù)雜，組織的演化規(guī)律尚未完全掌握，因此如何有效控制合金中各組成相的大小、比例、形態(tài)、微觀分布形式等組織細(xì)節(jié)缺乏理論依據(jù)；另一方面原因是在難以有效控制微觀組織細(xì)節(jié)的現(xiàn)狀下，組織變化導(dǎo)致的合金強(qiáng)韌性能變化的內(nèi)在機(jī)制也難以探究清楚。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明為了解決ti2alnb合金的成分優(yōu)化難的問題，通過materialsstudio和thermo-calc軟件對(duì)ti2alnb合金的合金化元素進(jìn)行篩選，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)ti2alnb合金的成分進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2、本發(fā)明基于第一性原理和相圖計(jì)算的ti2alnb合金成分優(yōu)化方法按照以下步驟進(jìn)行：

3、步驟一：構(gòu)建晶體模型

4、構(gòu)建ti2alnb合金中三相的晶體模型，采用materialsstudio軟件對(duì)ti2alnb合金三相的晶體模型進(jìn)行幾何優(yōu)化得到初始合金體系的能量；

5、步驟二：對(duì)晶體模型進(jìn)行合金化摻雜

6、在materialsstudio軟件中用摻雜元素對(duì)ti2alnb合金的三相的晶體模型進(jìn)行合金化摻雜，得到多個(gè)摻雜后的晶體模型，對(duì)摻雜后的晶體模型進(jìn)行幾何優(yōu)化得到摻雜后合金體系的能量；

7、步驟三：計(jì)算摻雜前后晶體模型的能量和力學(xué)性能

8、采用materialsstudio軟件中的能量和彈性常數(shù)分別計(jì)算步驟一構(gòu)建的ti2alnb合金中三相的晶體模型和步驟二摻雜后的ti2alnb合金中三相的晶體模型的楊氏模量、切變模量、體積模量和泊松比；

9、步驟四：篩選性能較為優(yōu)異的ti2alnb合金體系

10、根據(jù)步驟一至三的計(jì)算結(jié)果，篩選出性能優(yōu)異的晶體模型，性能優(yōu)異的晶體模型中的摻雜元素為篩選出的合金化元素，進(jìn)而確定合金化元素；

11、步驟五：對(duì)篩選出的ti2alnb合金體系進(jìn)行相圖計(jì)算

12、采用thermo-calc軟件對(duì)步驟四篩選出的性能優(yōu)異的晶體模型進(jìn)行相圖計(jì)算，得到性能優(yōu)異的晶體模型對(duì)應(yīng)的合金體系的相含量隨溫度的變化信息和相變溫度信息。

13、本發(fā)明的有益效果是：

14、1、本發(fā)明通過材料計(jì)算的方法對(duì)ti2alnb合金的合金化元素進(jìn)行預(yù)測篩選，進(jìn)而對(duì)ti2alnb合金的成分進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)ti2alnb合金的合金化實(shí)驗(yàn)有一定的理論指導(dǎo)作用，同時(shí)有助于加快ti2alnb合金的合金化的實(shí)際應(yīng)用。

15、2、本發(fā)明通過材料計(jì)算的方法，依據(jù)計(jì)算體系的楊氏模量、體積模量等參數(shù)，可以快速地預(yù)測材料的性能，這大大縮短了材料研發(fā)周期，降低了研發(fā)成本，提高了研發(fā)效率。

16、3、本發(fā)明基于計(jì)算機(jī)模擬，探索新的材料結(jié)構(gòu)和性能，這有助于發(fā)現(xiàn)具有優(yōu)異性能的新材料，或者對(duì)現(xiàn)有材料進(jìn)行性能優(yōu)化，從而滿足特定應(yīng)用場景的需求。

17、4、本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了組分優(yōu)化，并為后續(xù)組織的調(diào)控提供一定理論指導(dǎo)。通過第一性原理計(jì)算可以得到摻雜元素種類對(duì)體系能量、電子態(tài)密度，差分電荷密度、楊氏模量、泊松比等參數(shù)的影響，比較不同體系的參數(shù)，對(duì)摻雜元素進(jìn)行篩選，實(shí)現(xiàn)了成分的優(yōu)化，通過相圖計(jì)算的方法計(jì)算不同摻雜元素對(duì)體系相組成、相含量及相變溫度的影響，為后續(xù)組織的調(diào)控提供一定理論指導(dǎo)。

技術(shù)特征：

1.一種基于第一性原理和相圖計(jì)算的ti2alnb合金成分優(yōu)化方法，其特征在于：基于第一性原理和相圖計(jì)算的ti2alnb合金成分優(yōu)化方法按照以下步驟進(jìn)行：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于第一性原理和相圖計(jì)算的ti2alnb合金成分優(yōu)化方法，其特征在于：步驟一所述構(gòu)建ti2alnb合金中三相的晶體模型時(shí)根據(jù)ti2alnb合金中三相的晶體模型晶體參數(shù)在materialsstudio軟件自帶的建模模塊中進(jìn)行構(gòu)建。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于第一性原理和相圖計(jì)算的ti2alnb合金成分優(yōu)化方法，其特征在于：步驟一所述ti2alnb合金中三相為α2相、b2相和o相。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于第一性原理和相圖計(jì)算的ti2alnb合金成分優(yōu)化方法，其特征在于：所述α2相成分為ti3al，b2相成分為tial，o相成分為ti2alnb。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于第一性原理和相圖計(jì)算的ti2alnb合金成分優(yōu)化方法，其特征在于：步驟一所述幾何優(yōu)化的參數(shù)如為：平面波截?cái)嗄苓x取500ev，布里淵區(qū)內(nèi)k點(diǎn)選取fine選項(xiàng)，贗勢選取超軟贗勢ultrasoft。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于第一性原理和相圖計(jì)算的ti2alnb合金成分優(yōu)化方法，其特征在于：步驟二所述摻雜過程為：采用摻雜元素分別對(duì)ti2alnb合金的三相的原有組成原子進(jìn)行逐一取代，每取代一次得到一個(gè)摻雜后的晶體模型。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于第一性原理和相圖計(jì)算的ti2alnb合金成分優(yōu)化方法，其特征在于：步驟二所述摻雜元素為mo、v、si、fe、w、ta、zr和y。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于第一性原理和相圖計(jì)算的ti2alnb合金成分優(yōu)化方法，其特征在于：步驟二所述幾何優(yōu)化的參數(shù)如為：平面波截?cái)嗄苓x取500ev，布里淵區(qū)內(nèi)k點(diǎn)選取fine選項(xiàng)，贗勢選取超軟贗勢ultrasoft。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于第一性原理和相圖計(jì)算的ti2alnb合金成分優(yōu)化方法，其特征在于：所述性能優(yōu)異的晶體模型的判斷方法為：

10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于第一性原理和相圖計(jì)算的ti2alnb合金成分優(yōu)化方法，其特征在于：步驟五所述相圖為ti-al-nb三元體系變溫截面圖和含合金化元素的合金體系中的ti-合金化元素偽二元相圖。

技術(shù)總結(jié)
一種基于第一性原理和相圖計(jì)算的Ti<subgt;2</subgt;AlNb合金成分優(yōu)化方法，涉及第一性原理領(lǐng)域，具體涉及一種基于第一性原理和相圖計(jì)算的Ti<subgt;2</subgt;AlNb合金設(shè)計(jì)方法。為了解決Ti<subgt;2</subgt;AlNb合金的成分優(yōu)化難的問題，通過MaterialsStudio和Thermo?Calc軟件對(duì)Ti<subgt;2</subgt;AlNb合金的合金化元素進(jìn)行篩選，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)Ti<subgt;2</subgt;AlNb合金的成分進(jìn)行設(shè)計(jì)。方法：構(gòu)建晶體模型、對(duì)晶體模型進(jìn)行合金化摻雜、計(jì)算摻雜前后晶體模型的電子結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能、篩選性能較為優(yōu)異的Ti<subgt;2</subgt;AlNb合金體系、對(duì)篩選出的Ti<subgt;2</subgt;AlNb合金體系進(jìn)行相圖計(jì)算。本發(fā)明通過材料計(jì)算的方法對(duì)Ti<subgt;2</subgt;AlNb合金的合金化元素進(jìn)行預(yù)測篩選，進(jìn)而對(duì)Ti<subgt;2</subgt;AlNb合金的成分進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)Ti<subgt;2</subgt;AlNb合金的合金化實(shí)驗(yàn)有一定的理論指導(dǎo)作用，同時(shí)有助于加快Ti<subgt;2</subgt;AlNb合金的合金化的實(shí)際應(yīng)用。

技術(shù)研發(fā)人員：韓秀麗,位炎炎,任開霖,李婉瑩,王銳,武高輝,楊文澍,陳國欽,張強(qiáng),康鵬超
受保護(hù)的技術(shù)使用者：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/10/10