题目：合金化元素对TiAl/Ti3Al界面力学性能影响的第一原理研究

TiAl基合金具有高比强度和比模量、良好的抗氧化性、抗蠕变性、优良的高温强度、刚度及低密度，是很有发展前景的高温结构材料；但较低的室温塑性限制了其应用。目前所广泛研究的Ti-Al合金主要为由TiAl和Ti3Al组成的双相合金。少量Ti3A1相的存在可改善Ti-Al合金的脆性。TiAl/Ti3Al界面对TiAl-Ti3Al双相合金力学性能有着重要的作用，而合金化是改善TiAl基合金室温塑性的重要方法。因此，研究合金化元素对TiAl/Ti3Al界面结构和力学性能的影响规律非常重要。本论文应用基于密度泛函理论的第一原理赝势方法，全面而系统地研究了合金化元素对于TiAl/Ti3Al界面结构与力学性能的影响规律。我们构建了TiAl (111)//Ti3Al (0001)界面，计算了合金化元素添加后的界面形成能γint、界面断裂能γcl、界面上典型滑移系的广义堆垛层错能γGSF和断裂能与不稳定堆垛层错能的比值γcl/γus。结合γcl/γus这一经验判据和可能形成的组织结构来判断合金化元素对界面韧脆性的影响。我们从裂纹扩展的角度给出了这些合金化元素对界面韧脆性的影响。过渡金属V、Cr、Mn、Nb、Mo、Ta、W、Re增大界面结合强度，同时增强位错可动性，从而增大γcl/γus的比值，提高界面韧性。主族元素P则减弱界面结合强度，同时增强位错可动性，导致γcl/γus的比值略微减小，从而降低界面韧性。可以推知，当添加的合金化元素提供更多的d电子与Ti成键，导致d-d杂化增强和/或p-d杂化相对削弱时，TiAl/Ti3Al界面的韧性提高。界面上的间隙原子B、C、N能增强最近邻的Ti–Ti键，增大界面结合强度；而H、O有相反的作用。而所有这些间隙原子均增加不稳定堆垛层错能，减少γcl/γus，降低界面韧性。另一方面，我们从微观片层结构的角度给出合金化元素对TiAl合金韧脆性的影响。TiAl-Ti3Al合金的微观片层结构会影响合金的韧脆性：全片层的TiAl-Ti3Al 合金具有较好的抗蠕变性能, 而双态组织具有较好的塑性。过渡金属V、Cr、Mn会增大界面形成能，从而降低界面稳定性，有益于形成塑性较好的双态组织；而过渡金属Nb、Mo、Ta、Re、主族元素P和间隙原子H、B、C、N、O则降低界面形成能，增强界面稳定性，有利于形成抗蠕变性能较好的全片层组织。无论从裂纹扩展还是从微观片层组织形成角度，密度较低的V、Cr、Mn可作为改善TiAl-Ti3Al双相合金韧塑性的合金化元素的较好选择。界面上合金化元素之间的相互作用对于合金的力学性能有着重要的影响。在含O的TiAl/Ti3Al界面加入过渡金属元素（V、 Cr、 Mn、 Nb、 Mo、 Ta、 W）后，过渡金属将提高界面强度，但导致γcl/γus比值比含O界面的情况进一步降低。这表明O和过渡金属相互作用可进一步降低TiAl/Ti3Al界面的韧性。因此，在添加过渡金属的同时应尽量减少O的含量。本论文应用第一原理方法结合经验判据得到的合金化元素对TiAl/Ti3Al界面结构与力学性能的影响规律，将为解决TiAl系金属间化合物的室温脆性问题提供必要的科学指导和参考依据。