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基于第一性原理的钨基搅拌头材料设计及性能预测

范兴文  
【摘要】:搅拌摩擦焊接技术作为运用日益广泛的固相连接方式,搅拌头材料制约其在高熔点材料焊接领域的商业化和工程化发展。钨铼合金是目前公认具有良好耐磨性的搅拌头材料,但是铼元素高昂的价格成为了制约钨铼合金不能规模化使用的主要因素。本文采用第一性原理方法,从原子结构角度出发,设计廉价且高强韧性的钨基搅拌头材料,并通过粉末冶金方式制备相应的钨基材料。第一性原理计算结果表明钨铼合金具有良好强韧性的原因是铼的加入减弱了钨的共价性,提高了钨基体的塑韧性,同时铼的加入改变了钨基体的电子云图。此外,铼也能提高钨晶界的结合强度进而增大了钨的强韧性。然而通过计算发现从掺杂元素制备合金的角度并不能找到替代铼的廉价元素,于是本文从TiC及ZrC基金属陶瓷具有优异的强韧性和耐磨性的角度出发,运用Material Studio软件中的Castep模块从电子结构角度研究了金属陶瓷内部界面特性,探索TiC/W、ZrC/W作为搅拌头材料的可行性,为制备相应的材料提供指导作用。计算结果表明TiC、ZrC在费米能级处的态密度不等于零,说明了两者具有金属性。通过计算表面构型层间距和表面能随层厚变化可以看出,TiC、ZrC及W的表面构型达到9层时可以代表体相性质,其中层间距随着层厚变化时内部弛豫量接近0,而且Ti C、ZrC及W的表面能分别收敛于1.62J/m~2、1.56J/m~2和4.00J/m~2。电荷密度图的结果表明TiC/W、ZrC/W界面处已经成键,说明了复合材料中硬质相不容易脱落可以增强复合材料的耐磨性,而且良好的界面结合也能提高复合材料的强韧性。从差分电荷密度图得出得到电子的一般是C原子,失去电子的是W和Zr原子。TiC/W及ZrC/W界面投影态密度结果表明两侧电子结构没有畸变,平滑无畸变的界面电子结构是形成良好界面的前提。界面处的C原子态密度非局域化程度要比体相内部的大,表明了界面处的C原子成键增强。最后,通过粉末冶金制备TiC/W、ZrC/W及(TiC+ZrC)/W复合材料,通过蔡司显微镜观察到硬质相在基体中属于弥散分布,同时硬质相也出现了部分团聚现象。扫描电镜能谱分析表明三种金属陶瓷中不含有杂质元素,仅仅含有钛、锆、钨及碳元素。硬度测试的结果表明TiC/W、ZrC/W及(TiC+ZrC)/W复合材料硬度值分别为为932HV、1290HV及1002HV。将制备的三种复合材料在600℃下磨损1小时,三种材料磨损失重量均不大,ZrC/W复合材料的高温抗磨损性能最好,质量磨损率为0.046g/h,三种材料均为氧化磨损和磨粒磨损。


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