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《中南大学》 2012年
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Ti-Al-(Zr,Hf)-N耐磨涂层的热力学及力学性质的第一原理计算

王爱军  
【摘要】:含A1氮化物耐磨涂层因具有高硬度、高耐磨性、耐腐蚀性、良好的热稳定性等优良性能而被广泛地应用到切削和成型工具中。含Al立方氮化物(如TiA1N、ZrAlN、HfAlN等)存在溶解度间隙,在高温时发生调幅分解生成二元立方相(如TiN、AlN、ZrN和HfN等)所引发的时效硬化效应使涂层力学性能进一步提高。因此研究涂层的调幅分解曲线以及调幅分解析出二元相的力学和热力学性质对涂层设计有着重要的意义。此外,为了进一步改善涂层的性能,在Ti-Al-N涂层中加入合金元素X(X=Zr、Hf、Cr、Nb、Ta、Si、Zr和Y等)而形成的四元涂层成为新的研究热点。通过实验方法选择适当的合金元素工作量巨大,而基于密度泛函理论的第一原理计算对其结构和力学性能进行预测不仅能有效减少这一工作量,还能对实验结果进行合理的解释。 本论文采用第一原理计算,并结合准谐近似和有效应力/应变方法,对TiN、AIN、ZrN和HfN涂层二元体系的结构、热力学及力学性质进行了系统的研究。采用特殊准随机结构(Special quasirandom structures, SQS)模型和集团展开(Cluster expansion, CE)描述三元无序结构,预测了三元TiA1N. TiZrN和ZrAIN体系的弹性性能,以及压力和晶格振动对其调幅分解的影响。另外,本工作发展了四元SQS模型,预测了TiAl(Zr, Hf)N四元体系的结构和力学性质,并定性分析了Zr和Hf的添加对Ti-Al-N涂层力学性能和调幅分解的影响。论文所取得的主要研究成果如下: (1)三元氮化物发生调幅分解析出立方相二元氮化物,使得涂层力学性能大大提高。因此系统研究立方二元氮化物的热力学和力学性质对涂层研究非常重要。本工作采用第一原理方法系统计算了二元氮化物TiN、AlN、ZrN和HfN的结构、声子和电子性质,并结合准谐近似方法将0K下的热力学性质推广到高温区域,对有限温度下的热力学性质尤其是实验难很测定的高温热力学数据做出了合理的预测。这些计算结果可以为CALPHAD (CALcalculation of PHAse Diagram)模型提供必要的热力学信息。 (2)涂层的残余应力是影响涂层性能的重要因素。然而,通过实验直接测定残余应力是比较困难的。在应力测定时,通常先由X射线衍射测定出点阵畸变,之后通过弹性常数计算得到残余应力值。所以,弹性常数是评估残余应力的关键性质。基于准谐近似和有效的应力/应变方法,本工作首次将二元氮化物TiN、AlN、ZrN和HfN的弹性性质与温度和压力关联起来,计算了弹性常数与温度和压力的变化关系。该计算为涂层残余应力的评估提供关了键信息。另外,基于弹性常数,本工作还首次计算了这些氮化物的体模量、剪切模量、杨氏模量、断裂强度和硬度等力学性质随温度的变化情况。计算结果可望为高温涂层的发展提供可靠的理论依据。 (3)由调幅分解引起的涂层时效硬化可提高其力学性能,准确地计算调幅分解曲线对研究涂层的时效硬化能力起着至关重要的作用。本工作采用SQS和CE方法描述三元无序结构,并首次将振动熵引入到TiAlN、ZrAIN和TiZrN的热分解计算中,研究了压力和振动效应对调幅分解的影响。研究发现:增加压力使得调幅分解曲线上移,而振动则降低调幅分解曲线对应温度。另外,计算结果表明Zr添加到TiAlN中可以扩展调幅分解的成分区间。 (4)现有的SQS模型只限于二元和三元体系。本工作发展了四元SQS模型来合理描述四元无序固溶体。在此基础上预测了Ti-Al-Zr-N和Ti-Al-Hf-N的结构和力学性能。另外,本工作还研究了Ti-Al-N涂层中添加Zr和Hf对其热分解过程的影响。计算结果表明Zr和Hf的添加使得涂层调幅分解开始方向由100转向111。通过电子态密度和混合焓的定性分析,发现添加Zr和Hf更有利于涂层调幅分解的发生和时效硬化能力的提高。这一计算结果与现有实验结论一致。这也恰恰印证了第一原理计算在选择合金元素、优化合金成分及预测合金性能等方面的高效性和合理性。
【学位授予单位】:中南大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:TG174.44

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