论文摘要
随着高技术新材料的发展,高品质钛合金靶材和特种钛合金的研究开发须上升到数字化设计水平。鉴于传统相图热力学方法无法确定合金元素在不同亚晶格上的占位分数,本文采用热力学亚晶格模型,辅助以第一性原理总能计算,研究了合金元素的占位有序化行为。基于其精细结构建立超晶胞,计算了Co3Ti（L12）基合金的弹性常数、弹性模量等弹性性质。基于级联碰撞理论对合金溅射镀膜过程中的传质规律进行模拟。通过真空感应悬浮熔炼方法制备出纯净、均匀的钛合金锭。结合相图,确定了部分钛合金体系的热处理工艺、平衡相结构和显微组织特征,得到二元或三元高品质钛合金靶材,进行溅射镀膜试验,获得了表观质量良好的合金薄膜。对Co3Ti（L12）基合金占位计算结果表明,化学计量比的Co3Ti合金占位完全有序,且占位行为不受温度的影响。对于添加少量第三组元过渡金属M的Co3Ti基合金亦进行了系统的定量化研究,合金元素的占位分布规律较复杂,Fe和V原子倾向占据3c亚晶格,A1原子在1a和3c这两套亚晶格上都有占位。除V外,随着原子核外层电子的增加,原子占位逐渐倾向于从1a转向3c位置。本文也预测了化学计量比的Co2Ti（C36）、CuTi2（C11 b）、γ-CuTi（B11）和NiTi2相结构中合金元素的占位分数。对L12Co3TiM（M=Al、Fe、V）体系的弹性性质计算表明,弹性常数关系满足结构稳定性条件,合金的韧／脆判据表明合金具有一定的脆性。稳定结构中,Al、Fe和V占据3c（Co）亚晶格,合金的弹性模量都比假设它们占据1a（Ti）亚晶格时小。合金靶材离子束溅射过程中,入射离子和靶材固体表面相互作用模拟结果表明,固定入射粒子为氩离子,入射能量为10KeV,改变入射角大小,当入射角度为75°可以获得最大的溅射产额。当离子束轰击合金元素表面能相差较大的合金靶材时,合金元素呈现选择性溅射,合金靶材成分比与溅射产物成分比的变化关系呈现线性相关,由此可以指导靶材和薄膜成分的反向设计Co3Ti铸态合金经均匀化热处理后,p-Co2Ti相减少,γ‘-Co3Ti相显著增加,合金硬度（铸态下为615.5HV）降低60%,达220±5 HV,可加工性能提高。Ti4Cu合金经固溶处理后组织更加均匀,硬度有所提高,而Ti515Cu29Ni18.5合金经800℃固溶处理后显微结构无明显变化。基于自制靶材进行了磁控溅射镀膜试验,发现Ti50Ni50和Ni50Cr50合金薄膜中元素无明显选择性溅射,与试验结果一致,而Ni70Mn30合金的模拟结果显示Ni元素比Mn元素优先溅射,与试验结果不一致,因此,需要将溅射和沉积过程相结合,进一步深入研究靶材、溅射产额以及薄膜之间的成分偏差。