新型Ti3Al5高温合金结构稳定性与力学性能的第一性原理研究

（编辑推荐）本研究通过第一性原理计算揭示了正交（Pbam）和四方（I4/mcm）两种Ti3Al5合金的结构特征，发现正交相具有更优的热力学稳定性（剪切模量较TiAl3提升31.5%）和机械性能，其强Ti-Al键合与层间结构为开发轻量化航空发动机材料提供理论依据。

　　

Highlight

通过第一性原理计算，我们系统研究了两种Ti₃Al₅合金（正交相与四方相）的结构与性能差异。有趣的是，正交相展现出更低的形成焓和更高的剪切模量（比TiAl₃高31.5%），这要归功于其独特的Ti-Al原子电子杂化（hybridization）和层间结构。电荷密度差分析进一步揭示了强Ti-Al键对材料抗变形能力的提升机制。

Methods

尽管前人提出Ti₃Al₅可能具有六方结构（a=11.2720?，c=4.0300?），但本研究首次通过动力学稳定性验证，发现其更可能以正交（类似Ti₃Rh₅型）和四方（I4/mcm）两种晶型存在。

Structural stability

如表1所示，正交相Ti₃Al₅的晶格参数（a=6.512?，b=8.024?）与纯Ti（a=2.9382?，c=4.6570?）的对比验证了计算准确性。声子谱分析显示该相在布里渊区全域无虚频，证实其动力学稳定性。

Conclusions

正交相Ti₃Al₅凭借优异的机械性能和稳定的电子结构，为开发新一代Ti-Al基超合金（superalloys）提供了突破方向，其层间键合设计策略对航空发动机减重具有重要指导意义。