● 摘要
Nb-Si基共晶自生复合材料作为继Ni基单晶合金之后新一代高温合金近年来备受关注。其以铌固溶体为韧性相和Nb5Si3金属间化合物为强度相的特殊结构使该材料具有强度大，耐热温度高和一定室温韧性等优异性能。Nb-Si基共晶自生复合材料其较差的室温韧性和高温抗氧化性是工程应用的巨大障碍。合金化是提高Nb-Si自生复合材料的重要方法之一，其中添加Cr元素不仅能提高其抗氧化性能，而且还能保证高温强度。材料模拟与计算已成为材料科学的重要分支，计算机模拟不仅从理论上帮助解释实验中观察到的现象，还可以为实验研究指明方向。本文采用密度泛函理论，通过第一性原理方法及准谐德拜模型方法借助VASP和Gibbs系统的研究了合金主要相Nb、Cr2Nb及α和β-Nb5Si3的热力学性质，同时也研究了Cr2Nb各相各表面的稳定性，本论文还初步研究了Cr2Nb(111) 面氧化吸附的性质并初步推断出了Cr2Nb的初始氧化物。本文的主要研究成果如下：(1) 研究了Nb-Si-Cr合金中主要组成相Nb、Cr2Nb、Nb5Si3的热力学性质，结果表明，各相的热膨胀系数相差不大且随温度的变化趋势基本一致。各相热膨胀系数随着温度升高而升高，随着压力的增大而降低；各相的体模量随着温度的升高而降低。通过简单模型估算了Nb与Cr2Nb两相因热膨胀系数的差异而产生的微观热应力，结果表明微观热应力不足以在相界面处产生裂纹。(2) 研究了Cr2Nb C15各个方向上可能存在的表面的稳定性。结果表明在富Cr条件下，表面终端为Cr原子的(110)-S2面最稳定，随着Cr化学势的降低最稳定的面是 (111)-S1(Nb)面；对于(100)及(111)面来说，当Nb作为表面终端时的表面能比Cr作表面终端时低，Nb原子层比Cr原子层更倾向于形成表面。(3) 比较C15各个面的解离能发现，(110)面的解离能最低；对于C14相及C15相密排方向上，两相所对应的解离能差别不大，都易于在堆垛单元里Nb-Cr-Nb三层结构与纯Cr层之间解离。(4) 研究了Cr2Nb(111)面的初始氧化，当S1面发生氧化吸附时，氧原子与紧邻的Cr和Nb原子有很强的吸引作用；而对于S2面，氧原子主要与表面的Cr原子有很强的吸引作用。氧吸附能随着氧覆盖度的增加而减小，主要原因是氧原子之间存在着排斥作用。(5) 通过比较不同氧化模型的表面能发现，不管氧的化学势怎么变化，Cr2Nb(111)-S1始终要比S2结构稳定；在富Cr状态下，O-Cr2Nb(111)-S1与O-Cr2Nb(111)-S2的表面能差别不大。