● 摘要
摘 要B2-NiAl金属间化合物具有熔点高、密度低、导热性好、抗氧化性好等一系列优点，有望成为新型的高温结构材料的金属间化合物，但其较差的室温塑性和较低的高温强度严重阻碍了它的实用化。近年来，主要采用合金化方法，改变这种金属间化合物的电子结构、结合键的类型以及长程有序化的程度等，来改善B2-NiAl 的力学性质。在合金化过程中发现合金元素的占位对NiAl的性能有重要影响。本文采用基于密度泛函理论的第一原理方法，系统地研究3d, 4d和5d过渡金属元素在NiAl金属间化合物中的占位以及它们对NiAl键合性质的影响规律。1）建立了2×2×2的B2-NiAl的模型，计算了纯净NiAl的晶格参数和弹性模量，选取了合适的计算参数。为研究合金元素的占位，建立了Al为中心和Ni为中心的两种掺杂模型。2）计算了3d，4d和5d过渡金属元素在替代Al位和Ni位的形成能和杂质形成能。得到了过渡金属元素在NiAl金属间化合物中的占位规律。3d过渡金属中Sc, Ti, V, Zn优先占据Al位，而Cr, Mn, Fe, Co, Cu则优先占据Ni位；4d过渡金属中的Y, Zr, Nb, Cd优先占据Al位，而Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag优先占据Ni位；在5d过渡金属中的Lu, Hf, Ta, Hg优先占据Al位，而W，Re, Os, Ir, Pt, Au则优先占据Ni位。3）计算了掺杂体系的晶格常数，发现取代Al位的元素主要是由于晶格畸变所造成的，而取代Ni位的元素电子效应起着非常重要的作用。4）计算了掺杂体系NiAl-X的总态密度和相应配比的金属混合物的态密度，发现合金化后的NiAl-X体系的态密度比金属混合物的态密度有较大的区别，NiAl-X体系的态分布在较低的能量范围，反映了金属间化合物中共价键的存在。5）计算了3d, 4d和5d过渡金属与第一近邻的合金化的过程中，替代Al位的合金元素Sc, Ti, V, Zn，Y, Zr, Nb, Cd，Lu, Hf, Ta和Hg使得合金元素与近邻原子Ni出现很强的反键，体系总的共价键成分减弱，可能对NiAl的塑性有所改善。通过电荷转移以及价电荷密度分布分析了合金元素对NiAl体系的键合性质的影响，替代Al的过渡金属元素与第一近邻的Ni原子之间发生较大的电荷转移, 降低了NiAl中共价键成份，增加了金属键和离子键的成分。替代Ni位的合金元素Cr, Mn, Fe, Co, Cu, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, W，Re, Os, Ir, Pt和Au与周围Al原子的作用与纯净NiAl中的Ni与Al的作用非常相近，键合性质变化不明显。关键词：金属间化合物，B2-NiAl，合金化元素，第一原理，电子结构，态密度，电荷转移，交迭聚居数