铌钽掺杂提升Ti-Al-Sn-Hf-Si高温钛合金β相抗氧化性的第一性原理研究

本文通过原位高温共聚焦显微镜（CLSM）和第一性原理计算，揭示了Nb/Ta掺杂对Ti-Al-Sn-Hf-Si高温钛合金β相抗氧化性能的强化机制。研究表明，Nb和Ta可降低氧在β-Ti(110)面的吸附能并提高氧扩散势垒，从而显著抑制氧渗透，为设计极端环境用抗氧化钛合金提供理论依据。

　　

Highlight

通过高温共聚焦实验与第一性原理计算相结合，本研究阐明了铌（Nb）和钽（Ta）对高温钛合金β相抗氧化性能的影响，主要发现如下：

(1) 原位观察表明，在700?°C下约83秒后，氧化优先在β相和α/β相界面处引发。与α相相比，β相表现出显著更高的氧含量（通过EDS点分析），

Conclusion

本研究结合高温共聚焦实验和第一性原理计算，阐明了Nb和Ta对高温钛合金β相抗氧化性能的影响，主要结果如下：

(1) 原位观察显示，在700?°C下约83秒后，氧化优先发生在β相及α/β相界面处。β相表现出比α相显著更高的氧含量（通过EDS点分析证实），表明其抗氧化性能较差。

(2) 第一性原理计算表明，氧在β-Ti(110)表面的吸附能低于α-Ti(0001)表面，且其扩散势垒也较低，这使得氧原子更容易渗透进入β相体内部。

(3) 掺杂Nb和Ta可有效降低氧在β-Ti(110)表面的吸附能，同时提高氧扩散势垒，从而抑制氧的吸附和向体内的扩散。因此，添加Nb和Ta显著增强了合金的高温抗氧化性能。

这些发现为通过战略性元素掺杂设计适用于极端环境的抗氧化钛合金提供了重要的理论指导。