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钛铝系合金是一种以钛铝金属间化合物为基体的合金,它以其密度低、强度高和抗氧化性能优良等特点,成为一种很有潜力的航空航天高温结构材料,在这类合金中尤以TiAl基合金的应用最为广泛。然而TiAl基合金由于受到室温脆性,耐磨性以及抗高温氧化性不足的限制,使其只能用于研制使用温度和性能要求较低的部件。如何改善这些性能是目前面临的主要问题,表面热处理已经成为解决该问题的有效途径之一。Nb和C是合金中重要的强化元素,通过在对TiAl合金进行Nb-C复合渗可达到既提高抗高温氧化性又提高耐磨性的双重效果,使TiAl基合金的综合性能得到进一步改善,在航空领域可替代昂贵的合金材料。双辉光等离子渗金属技术虽然已从实验室走向实际应用,但该技术在金属间化合物上的应用和基础研究相对较少,本课题将采用这一技术对TiAl基合金进行表面渗Nb、表面渗C,以及Nb-C复合渗,并对合金层组织和结构进行分析。此外还将用第一性原理对其进行理论计算,分析Nb和C的加入对TiAl基合金的性能影响的本质原因,阐明TiAl系合金的性能与所得数据的联系。利用等离子表面合金化技术在TiAl基合金上形成TiAl-Nb合金层,然后对合金层进行离子渗碳,形成的合金渗碳层显示出良好的耐磨性和抗高温氧化性。研究结果表明在表面渗铌后,合金层成分和组织分布连续、均匀,与基体结合牢固,合金层从外到内由高浓度铌层/富铝层/富钛层/过渡层/基体组成;表面渗碳以及Nb-C复合渗表明铌的存在能极大的改善TiAl渗碳效果。在理论计算方面,首先本课题利用第一性原理对钛铝金属间化合物的晶体结构和计算出的自由能进行研究,从而说明这类金属间化合物的结构稳定性,并对TiAl基合金进行了弹性常数,态密度的研究,从晶体结构方面阐述了影响TiAl基合金性能的因素。其次还利用第一性原理研究铌碳在TiAl(010)表面的扩散机理,通过晶胞最终能量和形成能计算得出,Nb-C复合渗虽然使TiAl(010)面晶胞总能量上升,但却使其形成能下降,即Nb-C共渗后可提高TiAl基合金的稳定性。最后通过电子结构分析表明渗Nb可使Ti(3d)—Al(3p)键合作用减弱;渗Nb后使费米能低能级处电子成键数目增多,稳定性增强,从电子层面说明了Nb元素对渗碳具有促进作用,这与本课题试验所得结果相吻合。