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(jì)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(shí)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(shí)效硬化效應(yīng)使涂層力學(xué)性能進(jìn)一步提高。因此研究涂層的調(diào)幅分解曲線(xiàn)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(duì)涂層設(shè)計(jì)有著重要的意義。此外,為了進(jìn)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(diǎn)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法選擇適當(dāng)?shù)暮辖鹪毓ぷ髁烤薮?而基于密度泛函理論的第一原理計(jì)算對(duì)其結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能進(jìn)行預(yù)測(cè)不僅能有效減少這一工作量,還能對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行合理的解釋。
　　本論文采用第一原理計(jì)算,并結(jié)合準(zhǔn)諧近似和有效應(yīng)力/應(yīng)變方法,對(duì)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(jìn)行了系統(tǒng)的研究。采用特殊準(zhǔn)隨機(jī)

3、結(jié)構(gòu)(Special quasirandomstructures,SQS)模型和集團(tuán)展開(kāi)(Cluster expansion,CE)描述三元無(wú)序結(jié)構(gòu),預(yù)測(cè)了三元TiAlN、TiZrN和ZrAlN體系的彈性性能,以及壓力和晶格振動(dòng)對(duì)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(cè)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(duì)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(duì)涂層研究非常重要。本工作采用第一原理方法系統(tǒng)計(jì)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(zhǔn)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(duì)有限溫度下的熱力學(xué)性質(zhì)尤其是實(shí)驗(yàn)難很測(cè)定的高溫?zé)崃W(xué)數(shù)據(jù)做出了合理的預(yù)測(cè)。這些計(jì)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(guò)實(shí)驗(yàn)直接測(cè)定殘余應(yīng)力是比較困難的。在應(yīng)力測(cè)定時(shí),通常先由X射線(xiàn)衍射測(cè)定出點(diǎn)陣畸變,之后通過(guò)彈性常數(shù)計(jì)算得到殘余應(yīng)力值。所以,彈性常數(shù)是評(píng)估殘余應(yīng)力的關(guān)鍵性質(zhì)?；跍?zhǔn)諧近似和有效的應(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(lái),計(jì)算了彈性常數(shù)與溫度和壓力的變

6、化關(guān)系。該計(jì)算為涂層殘余應(yīng)力的評(píng)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(jì)算了這些氮化物的體模量、剪切模量、楊氏模量、斷裂強(qiáng)度和硬度等力學(xué)性質(zhì)隨溫度的變化情況。計(jì)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(shí)效硬化可提高其力學(xué)性能,準(zhǔn)確地計(jì)算調(diào)幅分解曲線(xiàn)對(duì)研究涂層的時(shí)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(wú)序結(jié)構(gòu),并首次將振動(dòng)熵引入到TiAlN、ZrAlN和Ti

7、ZrN的熱分解計(jì)算中,研究了壓力和振動(dòng)效應(yīng)對(duì)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(xiàn)上移,而振動(dòng)則降低調(diào)幅分解曲線(xiàn)對(duì)應(yīng)溫度。另外,計(jì)算結(jié)果表明Zr添加到TiAlN中可以擴(kuò)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(lái)合理描述四元無(wú)序固溶體。在此基礎(chǔ)上預(yù)測(cè)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