Ti-Al-(Zr,Hf)-N耐磨涂層的熱力學(xué)及力學(xué)性質(zhì)的第一原理計算.pdf

1、含Al氮化物耐磨涂層因具有高硬度、高耐磨性、耐腐蝕性、良好的熱穩(wěn)定性等優(yōu)良性能而被廣泛地應(yīng)用到切削和成型工具中。含Al立方氮化物(如TiAlN、ZrAlN、HfAlN等)存在溶解度間隙,在高溫時發(fā)生調(diào)幅分解生成二元立方相(如TiN、AlN、ZrN和HfN等)所引發(fā)的時效硬化效應(yīng)使涂層力學(xué)性能進一步提高。因此研究涂層的調(diào)幅分解曲線以及調(diào)幅分解析出二元相的力學(xué)和熱力學(xué)性質(zhì)對涂層設(shè)計有著重要的意義。此外,為了進一步改善涂層的性能,在Ti-Al

2、-N涂層中加入合金元素X(X=Zr、Hf、Cr、Nb、Ta、Si、Zr和Y等)而形成的四元涂層成為新的研究熱點。通過實驗方法選擇適當?shù)暮辖鹪毓ぷ髁烤薮?而基于密度泛函理論的第一原理計算對其結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能進行預(yù)測不僅能有效減少這一工作量,還能對實驗結(jié)果進行合理的解釋。
　　本論文采用第一原理計算,并結(jié)合準諧近似和有效應(yīng)力/應(yīng)變方法,對TiN、AlN、ZrN和HfN涂層二元體系的結(jié)構(gòu)、熱力學(xué)及力學(xué)性質(zhì)進行了系統(tǒng)的研究。采用特殊準隨機

3、結(jié)構(gòu)(Special quasirandomstructures,SQS)模型和集團展開(Cluster expansion,CE)描述三元無序結(jié)構(gòu),預(yù)測了三元TiAlN、TiZrN和ZrAlN體系的彈性性能,以及壓力和晶格振動對其調(diào)幅分解的影響。另外,本工作發(fā)展了四元SQS模型,預(yù)測了TiAl(Zr,Hf)N四元體系的結(jié)構(gòu)和力學(xué)性質(zhì),并定性分析了Zr和Hf的添加對Ti-Al-N涂層力學(xué)性能和調(diào)幅分解的影響。論文所取得的主要研究成果如下

4、:
　　(1)三元氮化物發(fā)生調(diào)幅分解析出立方相二元氮化物,使得涂層力學(xué)性能大大提高。因此系統(tǒng)研究立方二元氮化物的熱力學(xué)和力學(xué)性質(zhì)對涂層研究非常重要。本工作采用第一原理方法系統(tǒng)計算了二元氮化物TiN、AlN、ZrN和HfN的結(jié)構(gòu)、聲子和電子性質(zhì),并結(jié)合準諧近似方法將0 K下的熱力學(xué)性質(zhì)推廣到高溫區(qū)域,對有限溫度下的熱力學(xué)性質(zhì)尤其是實驗難很測定的高溫?zé)崃W(xué)數(shù)據(jù)做出了合理的預(yù)測。這些計算結(jié)果可以為CALPHAD(CALcalculati

5、on of PHAseDiagram)模型提供必要的熱力學(xué)信息。
　　(2)涂層的殘余應(yīng)力是影響涂層性能的重要因素。然而,通過實驗直接測定殘余應(yīng)力是比較困難的。在應(yīng)力測定時,通常先由X射線衍射測定出點陣畸變,之后通過彈性常數(shù)計算得到殘余應(yīng)力值。所以,彈性常數(shù)是評估殘余應(yīng)力的關(guān)鍵性質(zhì)?；跍手C近似和有效的應(yīng)力/應(yīng)變方法,本工作首次將二元氮化物TiN、AlN、ZrN和HfN的彈性性質(zhì)與溫度和壓力關(guān)聯(lián)起來,計算了彈性常數(shù)與溫度和壓力的變

6、化關(guān)系。該計算為涂層殘余應(yīng)力的評估提供關(guān)了鍵信息。另外,基于彈性常數(shù),本工作還首次計算了這些氮化物的體模量、剪切模量、楊氏模量、斷裂強度和硬度等力學(xué)性質(zhì)隨溫度的變化情況。計算結(jié)果可望為高溫涂層的發(fā)展提供可靠的理論依據(jù)。
　　(3)由調(diào)幅分解引起的涂層時效硬化可提高其力學(xué)性能,準確地計算調(diào)幅分解曲線對研究涂層的時效硬化能力起著至關(guān)重要的作用。本工作采用SQS和CE方法描述三元無序結(jié)構(gòu),并首次將振動熵引入到TiAlN、ZrAlN和Ti

7、ZrN的熱分解計算中,研究了壓力和振動效應(yīng)對調(diào)幅分解的影響。研究發(fā)現(xiàn):增加壓力使得調(diào)幅分解曲線上移,而振動則降低調(diào)幅分解曲線對應(yīng)溫度。另外,計算結(jié)果表明Zr添加到TiAlN中可以擴展調(diào)幅分解的成分區(qū)間。
　　(4)現(xiàn)有的SQS模型只限于二元和三元體系。本工作發(fā)展了四元SQS模型來合理描述四元無序固溶體。在此基礎(chǔ)上預(yù)測了Ti-Al-Zr-N和Ti-Al-Hf-N的結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。另外,本工作還研究了Ti-Al-N涂層中添加Zr和Hf