【摘 要】
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钛及其合金综合性能良好,在航空航天和生物医用领域都有着广泛的应用。值得注意的是β型钛合金由于兼具低弹高强的特性,近年来受到了诸多的关注。这类钛合金一般是通过向钛合金中添加Nb、Mo、Zr、Ta等β相稳定元素得到的。但是,结构物理量和杨氏模量之间的相互作用仍然难以捉摸。其中最难解决的问题在于找到影响钛合金性质的关键参数,以及了解这些参数如何对合金的弹性性能起决定性作用。本文采用第一性原理计算和机器学
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钛及其合金综合性能良好,在航空航天和生物医用领域都有着广泛的应用。值得注意的是β型钛合金由于兼具低弹高强的特性,近年来受到了诸多的关注。这类钛合金一般是通过向钛合金中添加Nb、Mo、Zr、Ta等β相稳定元素得到的。但是,结构物理量和杨氏模量之间的相互作用仍然难以捉摸。其中最难解决的问题在于找到影响钛合金性质的关键参数,以及了解这些参数如何对合金的弹性性能起决定性作用。本文采用第一性原理计算和机器学习的方法,对Ti-X（X=Nb,Zr,Mo,Ta）二元合金体系展开研究。基于高通量数据库和文献中选定结构的计算结果,成功找到几种杨氏模量低于40GPa的合金结构。采用多元决策树方法对选取的材料基因进行分析,从中找到影响合金稳定性和力学性能的关键参数。当合金元素变化时,关键参数随着重要性系数的不同也发生改变。这为今后探索其他二元甚至多元合金体系成分空间提供了依据,可以促进新材料的研发。根据计算所得的形成能、体积以及杨氏模量等物理量对结构特征展开分析发现,结构体积分布出现明显的分界线,体积与形成能之间存在一定联系,模量对元素含量和对称性表现出依赖性。不同体系元素含量和对称性变化对结构物理量的影响存在差异,可能与结构晶胞大小、元素原子半径以及电子构型相关。在不同体系中分别找到几种杨氏模量低于40GPa的钛合金结构。Ti-Nb体系具有较好的能量稳定性,形成能较低,结构被合成的可能性大。Ti-Zr体系的体积模量远低于其他体系结构,单独添加Zr元素对合金的力学性能影响不大。Ti-Mo体系具有较高的体积模量,抗压缩能力强。Ti-Ta体系结构的稳定性高于Ti-Zr和Ti-Mo体系。Ti-Nb、Ti-Zr以及Ti-Mo体系中的低模量结构均呈现出不同程度的各向异性,而各向异性显著的材料在应用中易产生微裂纹而导致失效。相较之下Ti-Ta体系结构整体更接近于各向同性,具有较大的应用潜力。不同体系中低模量结构的电子结构计算结果表明,Ti-Nb、Ti-Mo和Ti-Ta体系结构中均出现明显的d轨道杂化情况,电子成键作用增强,结构具有较好的稳定性。各体系中体积模量较高的结构均存在不同程度的p-p轨道杂化现象,表明材料的抗压缩能力可能受结构中的p轨道作用影响。由合金参数重要性的决策树结果可知,结构的形成能与键长、体积和费米能级这三个参数密切相关。影响杨氏模量的关键参数与合金元素的种类和含量有关。其中,Ti-Nb和Ti-Mo结构的模量值受多种因素共同作用,键长、体积以及元素含量等均具有一定的重要性。Ti-Zr体系中键长对模量起决定性作用,但元素含量对模量的影响较小。
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