相对传统TiAl合金,高Nb-TiAl中部分Ti原子位置或Al原子位置被Nb原子取代,表现出优异强度、抗氧化及抗蠕变性能,应用范围比传统TiAl合金更宽,有望在中等应力和温度区间取代镍基高温合金。同时,由于Nb原子添加,引起TiAl合金中γ/γ+α2和α2/γ相界发生改变,导致高Nb-TiAl合金片层晶团晶界上形成各种不同析出相。另外,热处理工艺及Nb含量不同,也会引起新相析出,这些析出相影响着高Nb-TiAl合金强度、抗氧化、抗蠕变及室温塑性等物理性能。高压下高Nb-TiAl合金会表现出与常压不同的物理性质,高压极端条件施加能够改变高Nb-TiAl合金晶胞体积,改变凝固过程中各相自由能、熔点、比热等物理性质,还可使高Nb-TiAl合金内部发生相变,对初生相选择、相变热力学及动力学等产生一系列重要影响。高压物理学是研究物质在高压作用物理行为学科,成为发现新物质、揭示新现象和规律的重要手段,越来越受到人们重视。本文基于密度泛函理论,采用第一性原理方法,对高Nb-TiAl合金中二元析出相γ-TiAl、DO22-Al3Ti、α2-Ti3Al;长周期析出相 r-Al2Ti、Al5Ti3、h-Al2Ti;三元析出相 O-Ti2AlNb、γ1-Ti4Nb3Al9、ω"-Ti3Al2Nb高压物理性质作系统研究,总共分为七章。第一章介绍TiAl合金发展趋势、高Nb-TiAl合金、高Nb-TiAl合金中析出相结构及性质、高Nb-TiAl合金中析出相高压物理性质研究现状,并在此基础上阐述本文研究目的、研究意义及研究内容。第二章描述本文所采用的理论计算方法。首先,阐述多电子体系中第一性原理方法计算基本思路,围绕单电子近似介绍密度泛函理论形成、发展及应用,讨论局域密度近似、广义梯度密度近似具体形式;其次,介绍弹性常数计算基本理论,阐述了广义胡克定律以及弹性常数计算基本思路;再次,介绍晶格振动热力学基础,阐述简谐近似法计算热力学性质的基本思想;最后,简单介绍VASP及Phonopy两个计算软件。第三章系统计算出高Nb-TiAl合金中二元析出相γ-TiAl、α2-Ti3Al、DO22-Al3Ti;长周期析出相 r-Al2Ti、Al5Ti3、h-Al2Ti;三元析出相中 O-Ti2AlNb、γ1-Ti4Nb3Al9、ω"-Ti3Al2Nb等九种相基态下晶格参数及弹性常数。计算所得各析出相晶格参数与弹性常数均与已有实验值及理论值相吻合,说明计算方法是可靠的。同时,计算九种析出相形成能与声子谱,采用能量、力学、动力学三方面稳定判据对九种析出相稳定性进行判断,结果表明:九种析出相均满足各自基态下稳定条件。第四章系统计算出高Nb-TiAl合金中各析出相高压下晶体结构参数、弹性常数、形成能及声子色散谱,并将归一化晶格参数对压力进行四阶多项式拟合。通过高压下弹性常数,依据各自晶系力学稳定判据,得出各析出相在0—30GPa压力范围内均满足力学稳定性条件;不同压力下形成能表明:九种析出相随压力增加,稳定性降低,但均满足能量稳定判据;声子色散关系表明:所研究的九种析出相在0—30GPa压力下无虚频或软模出现,均符合动力学稳定性条件。第五章根据各析出相不同压力下弹性常数值,计算不同压力下各析出相体积模量、剪切模量、杨氏模量、泊松比及各向异性等力学参数。结果表明:二元析出相中,DO22-Al3Ti体积模量、剪切模量、杨氏模量均最大且随压力增加而增加最快。长周期析出相中,r-Al2Ti相、h-Al2Ti相剪切模量及杨氏模量大于Al5Ti3相,且随压力增加而增加值大于Al5Ti3相。三元析出相中,特定压力下,体积模量O-Ti2AlNb最大,ω"-Ti3Al2Nb次之,γ1-Ti4Nb3Al9最小;剪切模量大小秩序为:γ1-Ti4Nb3Al9>ω"-Ti3Al2Nb>O-Ti2AlNb;而γ1-Ti4Nb3Al9与ω"-Ti3Al2Nb的杨氏模量相当,且大于O-Ti2AlNb。随压力增加,各析出相延展性增强,其中,γ-TiAl在11.25GPa压力下,表现为脆性,当压力高于11.25GPa时,表现为延展性;DO22-Al3Ti的B/G值虽随压力增加而增大,但整体表现为脆性;α2-Ti3Al相表现为延展性。长周期相r-Al2Ti、Al5Ti3、h-Al2Ti相在研究压力范围内为脆性材料,但随压力增加延展性增强。三种三元析出相在研究压力范围内表现为延展性,且随压力的增加,延展性增强。特定压力下,O-Ti2AlNb及ω"-Ti3Al2Nb延展性比γl-Ti4Nb3Al9相更优异。二元析出相剪切模量、杨氏模量各向异性γr-TiAl最大,DO22-Al3Ti次之,α2-Ti3Al最小;长周期析出相高压下体积模量各向异性程度大小秩序为:h-Al2Ti最大,Al5Ti3次之,r-Al2Ti最小,而剪切模量及杨氏模量各向异性程度大小秩序为:Al5Ti3>h-Al2Ti>r-Al2Ti;三种三元析出相高压下体积模量各向异性差异不大,高压下剪切模量,各向异性程度大小为γ1-Ti4Nb3Al9>O-Ti2AlNb>ω"-Ti3Al2Nb,而高压下杨氏模量,各向异性程度大小为 γ1-Ti4Nb3Al9>ω”-Ti3Al2Nb>O-Ti2AlNb。第六章在计算高Nb-TiAl合金析出相声子谱基础上,研究各析出相热力学性质,结果表明,各析出相不同压力下体积模量均随温度升高而降低,特定温度及压力下,二元析出相中γ-TiAl与α2-Ti3Al体积模量明显大于DO22-Al3Ti体积模量;长周期析出相中r-Al2Ti、Al5Ti3、h-Al2Ti体积模量差别不大;三元析出相中O-Ti2AlNb相的体积模量明显大于γ1-Ti4Nb3Al9相及ω"-Ti3Al2Nb相。各析出相不同压力下吉布斯自由能均随温度的升高而减小,特定温度及压力下,二元析出相Gibbs自由能γ-TiAl最大,DO22-Al3Ti次之,α2-Ti3Al最小;长周期析出相Gibbs自由能大小秩序为:h-Al2Ti>r-Al2Ti>Al5Ti3;三元析出相Gibbs自由能大小秩序为ω"-Ti3Al2Nb>γ1-Ti4Nb3Al9>O-Ti2AlNb。压力对各析出相热膨胀系数影响不大,在低温区,各析出相热膨胀系数对温度依赖性大,但在高温区,各析出相热膨胀系数受温度影响较小。压力对各析出相等压热容几乎没有影响,各析出相等压热容随温度变化均满足德拜低温热力学T3定律,在高温区间,二元相中,DO22-Al3Ti及α2-Ti3Al的等压热容总是大于γ-TiAl,长周期相中,等压热容大小秩序为Al5Ti3>r-Al2Ti>h-Al2Ti,三元析出相中,O-Ti2AlNb 与γ1-Ti4Nb3Al9 的等压热容大于ω”-Ti3Al2Nb 相。第七章对本文内容进行总结,并对后续工作进行展望。