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TiAl合金具有低密度、高熔点、高比强度以及优异的抗蠕变等特点,在新一代航空航天、武器装备和舰船车辆等高端装备领域有着广泛的应用前景。但TiAl合金的室温塑性差严重阻碍了其工程应用。近年来研究者们发现Ti2AlN/TiAl复合材料能够在保持TiAl合金低密度和高强度等优点的基础上,有效地改善TiAl合金的塑性变形能力。但目前Ti2AlN/TiAl复合材料所面临的挑战是:如何建立更加有效的复合材料微结构设计准则,从而实现复合材料综合性能的进一步优化提升。这就迫切需要从微观领域来探索Ti2AlN/TiAl复合材料的本质,特别是需要揭示Ti2AlN与TiAl之间相界面模型的结合性质及微观变形机理。本文以Ti2AlN/TiAl复合材料为研究对象,借助先进的计算模拟技术以及实验表征技术,系统研究了 Ti2AlN与TiAl之间相界面模型的微观结构以及结合性质,阐明了Ti2AlN/TiAl相界面的原子尺度变形机理,揭示了Ti2AlN/TiAl相界面微结构与力学行为之间的关联规律。本研究不仅为Ti2AlN/TiAl复合材料强度和塑性的调控设计提供了理论指导,而且对Ti2AlN/TiAl复合材料的开发和利用具有科学意义。取得的主要结果有:表面性质第一性原理计算研究结果表明Ti2AlN的最稳定表面随着周围所处环境的变化而变化。在富Ti和富Al情况下,Ti2AlN(0001)和Ti2AlN(1013)表面能比较接近,因此这两种表面可以在Ti2AlN/TiAl复合材料中同时与TiAl形成界面。界面性质第一性原理计算研究结果表明Ti2AlN(0001)/TiAl(l11)共格界面具有较高的界面粘附功(2.99J/m2),界面键合由Ti-Al共价键以及Ti-Ti金属键组成。Ti2AlN(1013)/TiAl(111)非共格界面的粘附功略低(2.44J/m2),界面键合具有多重性和非均匀性,存在较强和较弱的原子作用区域。对热压烧结制备的Ti2AlN/TiAl复合材料中界面微结构的透射试验观察结果表明本文获得的第一性原理计算结果能够很好地预测Ti2AlN/TiAl相界面模型的结合性质。复合材料中近椭圆形和多边形Ti2AlN颗粒与TiAl基体之间的界面结合主要为Ti2AlN(1013)/TiAl(111)非共格界面。六边形和短片状Ti2AlN颗粒与TiAl基体之间的界面结合为Ti2AlN(0001)/TiAl(111)共格界面。基于第二近邻修正型嵌入原子势函数(2NN MEAM),通过拟合L10-TiAl和Ti2AlN的晶格常数、形成热以及弹性常数等基本物理性质,建立了一套能够准确描述Ti2AlN/TiAl复合体系原子间相互作用的势函数。利用分子动力学模拟方法计算了TiAl和Ti2AlN的表面能以及热膨胀系数,并与已有的理论值与实验值进行对比,验证了本文建立的Ti2AlN/TiAl复合体系2NN MEAM势函数的可靠性和转移性。随后基于该势函数,利用分子动力学模拟研究了单晶TiAl和单晶Ti2AlN的单轴拉伸行为、Ti2AlN/TiAl界面原子结构特征以及界面粘附功等一系列基本性质。拉伸和压缩分子动力学模拟结果表明不同界面构型的界面—微裂纹以及界面—位错交互作用机制不同,因此呈现出明显不同的断裂失效特征。Ti2AlN(0001)/TiAl(111)共格界面构型在拉伸过程中会因为微裂纹在界面处形成并迅速扩展而发生脆性断裂。Ti2AlN(1013)/TiAl(111)非共格界面构型在拉伸过程中界面微裂纹前端会发射出位错而有效地钝化微裂纹的扩展,从而导致该非共格界面构型发生韧性断裂。Ti2AlN(0001)/TiAl(111)共格界面构型在压缩过程中会在界面处的Ti2AlN(0001)晶面出现原子尺度涟漪并彼此连接形成扭折带,从而发生准脆性断裂。Ti2AlN(1013)/TiAl(111)非共格界面在压缩过程中能够首先形核初始位错开启塑性变形,然后湮灭二次位错引起强化。因此Ti2 AlN(1013)/Ti Al(111)非共格界面有助于同时提高Ti2 AlN/Ti A复合材料的压缩强度和塑性变形能力。纳米压痕分子动力学模拟结果表明,Ti2AlN的引入能够显著增强Ti2AlN/TiAl复合材料的硬化作用。Ti2AlN(0001)/TiA1(111)共格界面处的界面错配位错网能够与压头下方形核的位错反应生成压杆位错和形成位错缠结,从而有效阻碍位错的扩展,更加增强了复合材料的硬化效果。Ti2AlN(1013)/TiAl(111)非共格界面有一定湮灭位错的能力,且能够向Ti2AlN侧形核位错,从而在提高Ti2AlN/TiAl复合材料硬度的同时,提高了其塑性变形能力。摩擦磨损分子动力学模拟结果表明,Ti2 AlN的引入以及合理的Ti2 AlN/TiAl相界面设计能够实现Ti2AlN/TiAl复合材料的减摩抗磨效果。在摩擦初始阶段,Ti2AlN(0001)/TiAl(111)共格界面能够有效阻碍位错的滑移和扩展,增加了硬化效果,因此该共格界面模型的摩擦系数比较低。在摩擦中后阶段,Ti2AlN(1013)/TiAl(111)非共格界面能够湮灭位错,因此该非共格界面模型中的位错密度最低,所以其摩擦系数和磨损率也最低。Ti2AlN/TiAl界面微区压缩变形行为的原位透射研究结果表明,本文获得的分子动力学模拟结果可以很好地描述和预测Ti2AlN/TiAl相界面变形行为。