筛选能提高硬质合金硬度的过渡金属掺杂元素的方法技术

本发明专利技术涉及三元硼化物硬质合金的设计与开发研究领域，提供了一种筛选能提高硬质合金硬度的过渡金属掺杂元素的方法，采用基于密度泛函的第一性原理模拟方法，对WCoB,MoCoB,Mo2FeB2,Mo2NiB2等结构模型进行结构优化，并采用不同的过渡金属元素进行不同含量的掺杂优化，分析掺杂前后的结构参数，力学性能与电子结构等，采硬度模型进行计算分析。通过分析结构参数，利用各种硬度模型，综合分析硬度变化趋势。利用Origin等软件，价键理论和能带理论绘制电荷密度图，态密度变化图等，分析共价性变化与硬度变化趋势。本发明专利技术为三元硼化物硬质合金的材料设计提供了直接的理论指导，缩短了研发周期，降低了研发成本。

【技术实现步骤摘要】
筛选能提高硬质合金硬度的过渡金属掺杂元素的方法
本专利技术涉及三元硼化物硬质合金的设计与开发研究领域。采用设计一种采用第一性原理计算过渡金属元素掺杂提高硬质合金硬度的方法。
技术介绍
含钨硬质合金发展面临的困境主要是钨资源困境，钨具有优良的特性，在地壳中的含量又比较稀少，因此人们通常把它称之为战略金属。因此，面对日益稀少的钨钴资源，建设资源节约型社会和维持硬质合金产业的可持续发展已刻不容缓，为了节约钨资源，人们已经开展了大量的研究工作寻找其替代品无钨硬质合金，并不断的加快这些无钨硬质合金的产业化步伐。20世纪80年代，日本的Toyokohan公司开发了一种称之为硼化反应液相烧结法烧结制备三元硼化物的新工艺，成功研制了Mo2FeB2、Mo2NiB2、WCoB等硼化物基金属陶瓷。它利用了二元硼化物易于粘结金属反应的特性，在烧结过程中消耗原料中的二元硼化物而形成与基体共存的三元硼化物。钨、钼、钽、铌、钛等具有高的熔点和低的高温蒸汽压，是生产硬质合金的理想原料，俗称“硬质金属”。面对钨资源的紧缺现状，不仅需要开发少钨无钨的硬质合金，同时也需要探究在此基础上继续提高性能的办法。三元硼化物硬质合金不仅能降低钨元素的使用量，同时硬度，力学性能等也得到了一定的提升。因此，探究提高三元硼化物硬质合金硬度的方法不仅是解决钨资源困境的重要方式，也是推进三元硼化物硬质合金应用的重要方式。过渡金属元素掺杂也是常见的提高材料性能的方式之一。然而，相对于传统的试错法研究，对于不同元素掺杂，不同含量与结构的研究耗时长，效率低，需要在此基础上进行大量的改进工作。因此采用第一性原理可以大幅度加快对过渡金属元素掺杂三元硼化物硬质合金的研究，同时通过态密度等方式对内在成键机理等进行研究，加快对新材料的理论认知进度，筛选搞笑的掺杂元素，为材料的开发与设计提供理论指导。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的在于提供一种筛选能提高三元硼化物硬质合金硬度的过渡金属掺杂元素的方法，确定合适的掺杂含量，以提高研究效率。本专利技术的技术方案是：一种筛选提高硬质合金硬度的过渡金属元素的方法，该方法通过构建初始的掺杂模型，进行结构优化并分析其构型特性，计算其晶格参数与稳定性，得出掺杂结构的稳定性，利用计算得出的马利肯布居数、键长和力学常数采用模型计算掺杂结构的理论硬度，最终确定过渡金属元素是否适合作为提高三元硼化物硬质合金硬度掺杂元素。进一步，该方法具体包括以下步骤：S1，利用MS软件CASTEP模块构建三元硼化物晶胞模型，并进行晶胞结构优化，选择过渡金属元素进行取代掺杂，形成掺杂模型；S2，进行结构优化，选取k点网络、收敛标准和平面截断能，生成的稳定结构具有能量最低状态；根据在得到的能量最低的掺杂结构的基础上，计算态密度，差分电荷密度，弹性常数和布居数性质，并利用origin将数据具象化；S3，确定过渡金属元素是否适合作为提高三元硼化物硬质合金硬度掺杂元素。进一步，所述S3的具体步骤为：S3.1分析不同掺杂含量的掺杂结构的稳定性，以及晶格常数和键长键角的变化；S3.2绘制电荷密度图，态密度图和能带结构图，分析掺杂后的成键方式和成键强弱；S3.3弹性常数分析，对掺杂后的杨氏模量，体弹模量，剪切模量以及泊松比等的变化进行分析，根据弹性常数，利用硬度模型，分析不同掺杂含量的硬度变化趋势；S3.4对布居数与键长，电荷密度的综合分析，根据掺杂后布居数，键长与价电子密度的相关数据，利用硬度模型，分析不同掺杂含量的硬度变化趋势。进一步，所述S3.2中键强度通过以下公式加以计算：其中，A为比例系数，A取值范围为700，Pμ是μ型键的马利肯布居数；dμ是μ型键的键长度；是μ型键的键体积；是μ型键单位体积内的键数，是键体积，是型键的键数。进一步，其中成键轨道组成采用价键理论进行分析，电子轨道跃迁采用能带理论进行分析。一种实现所述的筛选提高硬质合金硬度的过渡金属元素的方法的计算机程序。一种实现所述的筛选提高硬质合金硬度的过渡金属元素的方法的信息处理终端。一种计算机可读存储介质，包括指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行所述的筛选提高硬质合金硬度的过渡金属元素的方法。本专利技术的有益效果是：由于采用上述技术方案，本专利技术利用通过Materialsstudio(MS)软件的CASTEP模块，对掺杂结构进行优化，计算态密度，差分电荷密度，力学常数，布居数等性质，同时利用不同的硬度模型计算掺杂后的硬度变化，同时利用价键理论和能带理论解释内部激励，筛选能提高三元硼化物基硬质合金硬度的掺杂元素，为材料设计提供理论指导，节约实验时间。附图说明图1为本专利技术筛选能提高硬质合金硬度的过渡金属掺杂元素的方法的流程图。图2是实施例的Mn掺杂WCoB晶格模型(掺杂含量16.67atom%)。图3是实施例的Mn掺杂WCoB的态密度图(掺杂含量0，8.33，16.67,25,33.33atom%)。图4是实施例的Mn掺杂WCoB的差分电荷密度图。图5是实施例不同含量的Mn掺杂WCoB引起的力学性能变化趋势。图6是实施例不同模型下不同含量Mn掺杂WCoB引起的硬度的变化。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术的技术方案做进一步说明。如图1所示，本专利技术一种筛选提高硬质合金硬度的过渡金属元素的方法，该方法通过构建初始模型，进行结构优化并分析其构型特性，计算其晶格参数与稳定性，得出掺杂结构的稳定性，利用计算得出的马利肯布居数、键长和力学常数采用模型计算掺杂结构的理论硬度，最终确定过渡金属元素是否适合作为提高三元硼化物硬质合金硬度掺杂元素。进一步，该方法具体包括以下步骤：S1，利用MS软件CASTEP模块构建三元硼化物晶胞模型，并进行晶胞结构优化，选择过渡金属元素进行取代掺杂，形成掺杂模型；S2，进行结构优化，选取k点网络、收敛标准和平面截断能，生成的稳定结构具有能量最低状态；根据在得到的能量最低的掺杂结构的基础上，计算态密度，差分电荷密度，弹性常数和布居数性质，并利用origin将数据具象化；S3，确定过渡金属元素是否适合作为提高三元硼化物硬质合金硬度掺杂元素。进一步，所述S3的具体步骤为：S3.1分析不同掺杂含量的掺杂结构的稳定性，以及晶格常数和键长键角的变化；S3.2绘制电荷密度图，态密度图和能带结构图，分析掺杂后的成键方式和成键强弱；S3.3弹性常数分析，对掺杂后的杨氏模量，体弹模量，剪切模量以及泊松比等的变化进行分析，根据弹性常数，利用不同的硬度模型，分析不同掺杂含量的硬度变化趋势；S3.4对布居数与键长，电荷密度的综合分析，根据掺杂后布居数，键长与价电子密度的相关数据，利用不同的硬度模型，分析不同掺杂含量的硬度变化趋势。进一步，所述S3.2中键强度通过以下公式加以计算：，，其中，A为比例系数，此处设定为700，Pμ是μ型键的马利肯布居数；dμ是μ型键的键长度；是μ型键的键体积；是μ型键单位体积内的键数，是键体积，是型键的键数。进一步，其中成键轨道组成采用价键理论进行分析，电子轨道跃迁采用能带理论进行分析。一种实现所述的筛选提高硬质合金硬度的过渡金属元素的方法的计算机程序。一种实现所述的筛选提高硬质合金硬度的过渡金属元素的方法的信息处理终端。一种计算机可读存储介质，包括指令，当其在计算机上运行时，使得计本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种筛选提高硬质合金硬度的过渡金属元素的方法，其特征在于，该方法通过构建初始的掺杂模型，进行结构优化并分析其构型特性，计算其晶格参数与稳定性，得出掺杂结构的稳定性，利用计算得出的马利肯布居数、键长和力学常数采用模型计算掺杂结构的理论硬度，最终确定过渡金属元素是否适合作为提高三元硼化物硬质合金硬度掺杂元素。

【技术特征摘要】
1.一种筛选提高硬质合金硬度的过渡金属元素的方法，其特征在于，该方法通过构建初始的掺杂模型，进行结构优化并分析其构型特性，计算其晶格参数与稳定性，得出掺杂结构的稳定性，利用计算得出的马利肯布居数、键长和力学常数采用模型计算掺杂结构的理论硬度，最终确定过渡金属元素是否适合作为提高三元硼化物硬质合金硬度掺杂元素。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：S1，利用MS软件CASTEP模块构建三元硼化物晶胞模型，并进行晶胞结构优化，选择过渡金属元素进行取代掺杂，形成掺杂模型；S2，进行结构优化，选取k点网络、收敛标准和平面截断能，生成的稳定结构具有能量最低状态；根据在得到的能量最低的掺杂结构的基础上，计算态密度，差分电荷密度，弹性常数和布居数性质，并利用origin将数据具象化；S3，确定过渡金属元素是否适合作为提高三元硼化物硬质合金硬度掺杂元素。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述S3的具体步骤为：S3.1分析不同掺杂含量的掺杂结构的稳定性，以及晶格常数和键长键角的变化；S3.2绘制电荷密度图，态密度图和能带结构图，分析掺杂后的成键方式和成键强弱；S3.3弹...

【专利技术属性】
技术研发人员：尹海清，张桐，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：北京,11