含V和Cu的TiAl基合金中缺陷和3d电子行为

中国科学院材料物理中心，沈阳110016：wdenggxu.edu.cn国家自然科学基金（批准号：50361002）、广西科学研究与技术开发计划（编号：0480004）和广西大学科学技术研究重点项目（编号：2003ZD04）资助TiAl合金3d电子缺陷正电子湮没了这些金属及合金中3d电子和缺陷的信息。结果表明，过渡金属元素Ti，V，Cu原子中3d轨道的电子数目越多，正电子湮没放射Doppler展宽谱的3d信号越强。二元TiAl合金的电子密度和3d电子的信号较低，晶界缺陷的开空间较大。在TiAl合金中加入V或Cu，合金中的3d电子信号增强，基体和晶界处的电子密度均增加。Ti50Al48Cu2合金的多普勒展宽谱的3d电子信号高于Y-TiAl合金为有序L1.结构，具有低密度、高熔点、高弹性模量、好的抗氧化性能和高温强度等特点，因而被认为是有应用前景的高温结构材料。但TiAl合金在室温下很脆，这阻碍了它的实用化。为了探明TiAl合金的形变机理，近年来人们对TiAl合金进行了大量的研究，通过合金化和优化合金的结构，可显著改善合金的力学性能和抗腐蚀性能。一些研究组研究了在二元TiAl合金中加入第三组元对材料性能的影响，。我们假定二元TiAl合金以金属键结合，而且注入的正电子在合金中均匀分布。此假设将导致以下结果：正电子分别出现在合金晶格中Ti和Al原子位置的概率应均为50%，Ti50Al5.合金的商谱应当与CTiAl商谱相当。但是，我们的。

　　表1T1A1基合金的正电子寿命谱参数、基体和缺陷态的电子密度合金分析经充分退火的纯元素样品Al，Si，Tl，V和Cu的正电子寿命谱，获得了单一寿命，说明样品中的大部分缺陷已经回复。这些纯元素样品的基体正电子寿命、正电子湮没率、电子密度、电子构型和原子半径如表2所示。我们的寿命谱测量结果与报道的相符。

　　表2Al，Si，Ti，V和Cu元素的基体正电子寿命、正电子湮没率、电子密度和电子构型元素电子态Til5合金基体的价电子密度（b（TiAl）=合金时，电子密度降低了。由于Ti原子中有两个尚未配对的3d电子，当Ti原子和Al原子成键时，Al原子提供其价电子与Ti的3d电子将形成局域的共价键（Ti和Al的电子构型如表2所示），导致合金基体中参与形成金属键的价电子数量减少。这与正电子湮没放射Doppler展宽谱得到的结果相符。

　　正电子寿命随缺陷开空间的增大而增长。正电子在二元TiAl合金缺陷态中的寿命T（TiAl）=（表1）大于正电子在Al空位的寿命Tv（Al）=240ps.这说明，在二元TiAl合金中存在开空间较大的缺陷。这种缺陷结构特征归因于TiAl具有长程有序L1.型结构并具有较高的有序能。对于有序能高的多晶TiAl合金，在晶粒内部原子的排列高度有序，晶界处的原子不易发生她豫，而导致在晶界处出现开空间较大的缺陷。因此，TiAl合金的T2较大。而且，TiAl合金晶界处的价电子密度d（TiAl）= 1.03X10-2a.u.（表2）很低。由此可见，TiAl合金不仅在晶界处原子间的结合力很弱，而且基体内原子间的结合力也不强。如TiAl是本征脆性的金属间化合物，其单晶体和多晶体在室温下都很脆。

　　1中的数据可以看出，b（Til48V2）（原子分数）的V使合金基体的电子密度升高。从表2看出，由于b（V）=0.04576a.u.均大于b（Al）=0.0317a.u.或b（Ti）=0.0366a.u.，当V取代Al或Ti原子后，它们都比Al或Ti原子提供更多的价电子数参与形成金属键，增加了合金中的自由电子密度，而且d（Ti50Al48V2）1）。这表明，在TiAl合金中加入2%（原子分数）的V可缩小晶界缺陷的开空间，增加晶界处的电子密度。金属Cu的基体正电子寿命也小于金属Al或Ti的（表2）。在TiAl合金中加入2%（原子分数）的Cu也同时增加了合金基体和晶界处的价电子密度，即b（Ti50Al48Cu2）>d（Ti50Al50）（表1）。在TiAl合金中加入Cu与加入V具有相似的效应。

　　3结论过渡金属元素Ti，V，Cu原子的电子平均动量随原子序数的增加而增大。金属原子中3d轨道的电子数目越多，正电子湮没放射Doppler展宽谱的3d信号越强。

　　由于Ti的3d电子与Al的3p电子发生杂化作用，二元TiAl合金的电子密度和3d电子的信号较低。合金晶界上存在开空间较大的缺陷。

　　在TiAl合金中分别加入V和Cu元素，合金基体和晶界处的价电子密度均升高，3d电子信号增强。Ti50Al48Cu2合金的Doppler展宽谱的3d电子信号高于Ti50Al48V2合金。与加入V相比，在TiAl合金中加入Cu更有效增加3d-3d电子作用。北京富瑞恒创科技有限公司。