基于第一性原理的TiAlN涂层硬质合金刀具界面结合性能研究

摘要

TiAlN涂层硬质合金刀具具有优异的综合力学性能，能较好的提高加工效率和刀具使用寿命，是应用最广泛的硬质合金涂层刀具之一。国内外学者对TiAlN涂层硬质合金刀具主要进行了宏观界面结合性能的研究，对涂层与基体之间的界面微观结合机理研究较少。本文基于第一性原理，对TiAlN涂层WC基硬质合金刀具的界面结合性能进行模拟研究，分析界面内在微观结合机理，本研究对硬质合金涂层刀具的优化设计具有重要的理论和实际意义。
　　TiAlN涂层WC基硬质合金刀具中，硬质合金基体主要包括硬质相WC和粘结剂Co。其中WC含量远大于Co含量，WC与TiAlN的界面结合性能对刀具中涂层/基体界面结合性能起主导作用。本文主要研究了硬质相WC与TiAlN涂层之间的界面结合性能，建立了九种TiAlN/WC理想界面分子动力学模型，分析计算了这9种界面模型的界面失配度和界面结合能，研究结果表明：TiAlN(100)/WC(001)界面结合能最大为3.829J/m2，界面结合性能最稳定，TiAlN(001)/WC(001)界面结合能最小为2.441J/m2，界面结合性能最不稳定。另外分析了界面模型的电子结构，从原子层面上，探究了影响界面结合性能的本质。
　　基于界面结合性能最不稳定的TiAlN(001)/WC(001)理想界面模型，建立了含不同掺杂原子X(X=Al、Cr、Ti、Ta、Nb、Co)的界面模型。分析计算了含不同原子掺杂的界面结合能，结果表明：掺杂Al、Co、Cr原子均能提高界面的结合性能，掺杂Ti、Ta、Nb原子时使界面结合性能变弱。分析了掺杂Al、Ta、Co原子的界面模型的电子结构，研究发现：Al原子失去自由电子与N原子形成化合键，费米能级附近具有更多的局域尖峰，使界面结合性能更稳定；掺杂Ta原子界面费米能级处的局域尖峰较尖锐，界面结合性能较弱；Co原子周围电荷差分密度较大，界面结合性能增强。
　　基于界面结合性能最不稳定的TiAlN(001)/WC(001)理想界面模型，建立了含多种单原子Y(Y=Ti、Al、N、W、C)空位缺陷的界面模型。分析计算了含单原子空位的界面结合能。结果表明：含单原子空位缺陷均会造成界面结合性能下降，含单个W原子空位的界面结合性能最不稳定。对含单个W原子空位缺陷的界面模型进行了电子结构分析，结果表明：W原子与N原子有很强的键合，N原子态密度趋势的主要局域尖峰右移，界面结合性能下降；含单个C原子空位缺陷的界面结合能最大，界面结合性能相对稳定，当W原子空位缺陷处萌生裂纹时，裂纹容易向界面C原子处扩展。
　　基于涂层/基体界面之间的多个相连原子空位缺陷即为微裂纹，构建了四种不同类型微裂纹的超晶胞界面模型，包括平行界面裂纹1W-2C、平行界面裂纹1N-2Ti、垂直界面裂纹1N-1Ti-1C、斜跨界面裂纹1N-2C，分析计算了上述模型的界面结合能和原子空位缺陷界面结合能削弱百分比。研究结果表明：含平行裂纹1W-2C的界面结合能最小，界面结合性能最不稳定，在外载荷作用下，微裂纹更容易从此处扩展。

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摘要

ABSTRACT

Contents

1 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 硬质合金涂层刀具研究现状

1.3 涂覆层材料界面结合性能研究现状

1.4 主要研究内容

2 计算理论研究及模拟参数确定

2.1 第一性原理

2.2 模拟参数确定

2.3 界面性能参数计算理论

2.4 本章小结

3 TiAlN/WC理想界面结合性能研究

3.1 TiAlN/WC界面模型的建立

3.2 界面失配度计算

3.3 界面结合能计算

3.4 TiAlN/WC界面结合性能比较分析

3.5 TiAlN/WC界面的电子结构分析

3.6 本章小结

4 原子掺杂对界面结合性能的影响

4.1 涂层中掺杂原子的界面结合性能影响研究

4.2 基体中掺杂原子的界面结合性能影响研究

4.3 原子掺杂对界面结合性能的影响分析

4.4 原子掺杂对界面结合性能影响的电子结构分析

4.5 本章小结

5 原子空位对界面结合性能的影响

5.1 涂层中含单原子空位缺陷的界面结合性能影响研究

5.2 基体中含单原子空位却在的界面结合性能影响研究

5.3 单原子空位对界面结合性能的影响

5.4 单原子空位对界面结合性能影响的电子结构分析

5.5 多个相连原子空位对界面结合性能的影响

5.6 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间主要成果