基于第一性原理的α-Fe-Mo2FeB2硬質(zhì)覆層材料內(nèi)界面性能研究.pdf

1、三元硼化物硬質(zhì)覆層材料是一種綜合性能良好的涂覆層材料，被廣泛應(yīng)用于機(jī)械、汽車、核工業(yè)、航空航天、礦山等領(lǐng)域。由于界面兩側(cè)材料性能失配，對界面結(jié)合強(qiáng)度有很大影響，從而影響其使用壽命。本文基于第一性原理方法，采用模擬軟件Materials Studio對三元硼化物硬質(zhì)覆層材料（α-Fe/Mo2FeB2）內(nèi)界面性能進(jìn)行模擬研究，揭示影響其材料性能的內(nèi)在微觀作用機(jī)理，對三元硼化物硬質(zhì)覆層材料零件的優(yōu)化設(shè)計具有重要意義。
　　首先，進(jìn)行了最

2、穩(wěn)定的α-Fe(001)/Mo2FeB2(001)界面性能研究。建立了含有不同原子層數(shù)的表面模型，分別對其模型的原子層數(shù)進(jìn)行收斂測試，確定了最為合適的幾何表面模型?；谠摫砻婺Ｐ?，考慮到原子堆垛方式對界面的影響，建立了四種不同原子堆垛方式的α-Fe(001)/Mo2FeB2(001)界面模型。分別計算了這四種界面模型的界面粘附功、界面結(jié)合能和斷裂功。計算結(jié)果表明：Fe+hollow界面性能最穩(wěn)定，F(xiàn)e+B+top界面性能最不穩(wěn)定，且四種

3、堆垛模型的界面斷裂容易發(fā)生基體相或硬質(zhì)相，可知 Fe+hollow的堆積更可能是持續(xù)的自然堆積方式。進(jìn)一步分析了性能最穩(wěn)定的Fe+hollow界面和最不穩(wěn)定的Fe+B+top界面的電子結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明： Fe+B+top界面強(qiáng)度比 Fe+hollow界面弱。
　　其次，進(jìn)行了最不穩(wěn)定的α-Fe(001)/Mo2FeB2(100)界面性能研究。在該界面建立了兩種不同的原子堆垛方式的α-Fe(001)/Mo2FeB2(100)界面模型，

4、分別計算了這兩種界面模型的界面粘附功、界面結(jié)合能和斷裂功，結(jié)果表明：Fe+hollow界面性能更加穩(wěn)定，F(xiàn)e+top界面性能更不穩(wěn)定，且兩種堆垛模型的界面斷裂最容易發(fā)生在硬質(zhì)相。進(jìn)一步探究了這兩種界面的電子結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明：Fe+hollow界面強(qiáng)度比 Fe+top界面高。
　　最后，基于最不穩(wěn)定的α-Fe(001)/Mo2FeB2(100)界面模型，構(gòu)建了摻有不同原子X（X=C、Cr、Ni）的界面模型，研究了各個摻雜原子對界面性能

5、的影響情況。研究表明，摻雜一個原子時，只有Cr原子取代覆層中的B原子能有效改善界面性能,而其他摻雜原子無法改善且降低了界面性能。但添加兩個Ni時，卻大大提高了界面的穩(wěn)定性，即Ni的含量增多，有助于提高界面的穩(wěn)定性。在摻雜單個原子X（X=C、Cr、Ni）的界面模型中，研究單個原子分別位于基體、覆層側(cè)對界面性能的影響，結(jié)果表明：含有靠近覆層一側(cè)C原子的界面模型缺陷形成能和粘附功均最小，說明該界面最容易形成且最不穩(wěn)定。含有靠近覆層一側(cè)Cr原子