一种基于第一性原理和相图计算的Ti2AlNb合金成分优化方法

本发明涉及第一性原理领域，具体涉及一种基于第一性原理和相图计算的ti2alnb合金设计方法。

背景技术：

1、ti2alnb合金是一种基于ti3al基合金开发的轻质耐高温结构材料，由于其屈强比高、较好的室温塑韧性和抗蠕变性能，以及良好的抗氧化与抗燃烧能力等综合性能，被认为是650℃～750℃条件下最有潜力替代镍基高温合金的航空发动机材料之一，是未来高推重比航空发动机压气机机匣、整体叶盘、叶片等关键构件的重要选材，但ti2alnb合金的相变机制较为复杂，同时存在本征脆性和高温力学性能不足的问题。目前对于ti2alnb的研究的重点在于通过对其进行合金化来强化该合金，而在研制过程中的成分优化，组织的调控仍是技术难题，一方面原因是合金的相变复杂，组织的演化规律尚未完全掌握，因此如何有效控制合金中各组成相的大小、比例、形态、微观分布形式等组织细节缺乏理论依据；另一方面原因是在难以有效控制微观组织细节的现状下，组织变化导致的合金强韧性能变化的内在机制也难以探究清楚。

技术实现思路

1、本发明为了解决ti2alnb合金的成分优化难的问题，通过materialsstudio和thermo-calc软件对ti2alnb合金的合金化元素进行筛选，进而实现对ti2alnb合金的成分进行设计。

2、本发明基于第一性原理和相图计算的ti2alnb合金成分优化方法按照以下步骤进行：

3、步骤一：构建晶体模型

4、构建ti2alnb合金中三相的晶体模型，采用materialsstudio软件对ti2alnb合金三相的晶体模型进行几何优化得到初始合金体系的能量；

5、步骤二：对晶体模型进行合金化掺杂

6、在materialsstudio软件中用掺杂元素对ti2alnb合金的三相的晶体模型进行合金化掺杂，得到多个掺杂后的晶体模型，对掺杂后的晶体模型进行几何优化得到掺杂后合金体系的能量；

7、步骤三：计算掺杂前后晶体模型的能量和力学性能

8、采用materialsstudio软件中的能量和弹性常数分别计算步骤一构建的ti2alnb合金中三相的晶体模型和步骤二掺杂后的ti2alnb合金中三相的晶体模型的杨氏模量、切变模量、体积模量和泊松比；

9、步骤四：筛选性能较为优异的ti2alnb合金体系

10、根据步骤一至三的计算结果，筛选出性能优异的晶体模型，性能优异的晶体模型中的掺杂元素为筛选出的合金化元素，进而确定合金化元素；

11、步骤五：对筛选出的ti2alnb合金体系进行相图计算

12、采用thermo-calc软件对步骤四筛选出的性能优异的晶体模型进行相图计算，得到性能优异的晶体模型对应的合金体系的相含量随温度的变化信息和相变温度信息。

13、本发明的有益效果是：

14、1、本发明通过材料计算的方法对ti2alnb合金的合金化元素进行预测筛选，进而对ti2alnb合金的成分进行设计，对ti2alnb合金的合金化实验有一定的理论指导作用，同时有助于加快ti2alnb合金的合金化的实际应用。

15、2、本发明通过材料计算的方法，依据计算体系的杨氏模量、体积模量等参数，可以快速地预测材料的性能，这大大缩短了材料研发周期，降低了研发成本，提高了研发效率。

16、3、本发明基于计算机模拟，探索新的材料结构和性能，这有助于发现具有优异性能的新材料，或者对现有材料进行性能优化，从而满足特定应用场景的需求。

17、4、本发明实现了组分优化，并为后续组织的调控提供一定理论指导。通过第一性原理计算可以得到掺杂元素种类对体系能量、电子态密度，差分电荷密度、杨氏模量、泊松比等参数的影响，比较不同体系的参数，对掺杂元素进行筛选，实现了成分的优化，通过相图计算的方法计算不同掺杂元素对体系相组成、相含量及相变温度的影响，为后续组织的调控提供一定理论指导。

技术特征：

1.一种基于第一性原理和相图计算的ti2alnb合金成分优化方法，其特征在于：基于第一性原理和相图计算的ti2alnb合金成分优化方法按照以下步骤进行：

2.根据权利要求1所述的基于第一性原理和相图计算的ti2alnb合金成分优化方法，其特征在于：步骤一所述构建ti2alnb合金中三相的晶体模型时根据ti2alnb合金中三相的晶体模型晶体参数在materialsstudio软件自带的建模模块中进行构建。

3.根据权利要求1所述的基于第一性原理和相图计算的ti2alnb合金成分优化方法，其特征在于：步骤一所述ti2alnb合金中三相为α2相、b2相和o相。

4.根据权利要求1所述的基于第一性原理和相图计算的ti2alnb合金成分优化方法，其特征在于：所述α2相成分为ti3al，b2相成分为tial，o相成分为ti2alnb。

5.根据权利要求1所述的基于第一性原理和相图计算的ti2alnb合金成分优化方法，其特征在于：步骤一所述几何优化的参数如为：平面波截断能选取500ev，布里渊区内k点选取fine选项，赝势选取超软赝势ultrasoft。

6.根据权利要求1所述的基于第一性原理和相图计算的ti2alnb合金成分优化方法，其特征在于：步骤二所述掺杂过程为：采用掺杂元素分别对ti2alnb合金的三相的原有组成原子进行逐一取代，每取代一次得到一个掺杂后的晶体模型。

7.根据权利要求1所述的基于第一性原理和相图计算的ti2alnb合金成分优化方法，其特征在于：步骤二所述掺杂元素为mo、v、si、fe、w、ta、zr和y。

8.根据权利要求1所述的基于第一性原理和相图计算的ti2alnb合金成分优化方法，其特征在于：步骤二所述几何优化的参数如为：平面波截断能选取500ev，布里渊区内k点选取fine选项，赝势选取超软赝势ultrasoft。

9.根据权利要求1所述的基于第一性原理和相图计算的ti2alnb合金成分优化方法，其特征在于：所述性能优异的晶体模型的判断方法为：

10.根据权利要求1所述的基于第一性原理和相图计算的ti2alnb合金成分优化方法，其特征在于：步骤五所述相图为ti-al-nb三元体系变温截面图和含合金化元素的合金体系中的ti-合金化元素伪二元相图。

技术总结一种基于第一性原理和相图计算的Ti<subgt;2</subgt;AlNb合金成分优化方法，涉及第一性原理领域，具体涉及一种基于第一性原理和相图计算的Ti<subgt;2</subgt;AlNb合金设计方法。为了解决Ti<subgt;2</subgt;AlNb合金的成分优化难的问题，通过MaterialsStudio和Thermo‑Calc软件对Ti<subgt;2</subgt;AlNb合金的合金化元素进行筛选，进而实现对Ti<subgt;2</subgt;AlNb合金的成分进行设计。方法：构建晶体模型、对晶体模型进行合金化掺杂、计算掺杂前后晶体模型的电子结构和力学性能、筛选性能较为优异的Ti<subgt;2</subgt;AlNb合金体系、对筛选出的Ti<subgt;2</subgt;AlNb合金体系进行相图计算。本发明通过材料计算的方法对Ti<subgt;2</subgt;AlNb合金的合金化元素进行预测筛选，进而对Ti<subgt;2</subgt;AlNb合金的成分进行设计，对Ti<subgt;2</subgt;AlNb合金的合金化实验有一定的理论指导作用，同时有助于加快Ti<subgt;2</subgt;AlNb合金的合金化的实际应用。技术研发人员：韩秀丽,位炎炎,任开霖,李婉莹,王锐,武高辉,杨文澍,陈国钦,张强,康鹏超受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学技术研发日：技术公布日：2024/10/10