一种新型稀土硬质合金理论计算与分析制造技术

本发明专利技术涉及一种新型稀土硬质合金理论计算与分析。采用基于密度泛函理论的第一性原理方法通过软件Materials Studio（MS）分析并建立WC

【技术实现步骤摘要】
一种新型稀土硬质合金理论计算与分析


[0001]本专利技术涉及一种新型的硬质合金——稀土元素Y掺杂的硬质合金WC
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Co及其模型，并用第一性原理计算分析。

技术介绍

[0002]硬质合金是由难熔金属的硬质化合物和粘结金属通过粉末冶金工艺制成的一种合金材料。硬质合金具有硬度高、耐磨、强度和韧性较好、耐热、耐腐蚀等一系列优良性能，被誉为“工业牙齿”，因此被广泛用作刀具材料。但是硬质合金刀具材料的耐磨性和强韧性不易兼顾，进一步优化它们的结构和改进它们的性能对于扩大它们的工业应用是必不可少的，如何解决或者缓解耐磨和韧性这一矛盾成为当今WC
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Co等硬质合金生产中的一大难题。在过去十年中，由于高性能计算机的进步和精确有效的密度泛函理论(DFT)的发展，声子计算已经成为常规。随着近几年材料晶格动力学的第一性原理计算的逐渐发展，与材料性能密切相关的材料电子结构与热力学性质的研究也成为了材料研究的热点内容。添加稀土元素已被证明不管是在强化硬质合金弹性性能方面还是在热力学性能方面都非常有效，在硬质合金刀具中添加稀土元素，可显著提高硬质合金刀具的力学性能、切削性能和热性能，给硬质合金刀具的使用增加了许多方便。我们在前人的基础上，采用密度泛函理论（DFT）和第一性原理计算方法对掺杂前后的硬质合金WC
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Co的弹性常数、电子结构和热力学性质进行计算分析，以研究硬质合金刀具材料的综合切削性能。

技术实现思路

[0003]1.本专利技术采用基于密度泛函理论的第一性原理方法通过软件Materials Studio（MS）分析并建立掺杂稀土元素前后的WC
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Co的模型：（1）、通过前人的研究并加以分析，建立出硬质合金WC
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Co模型。以此模型为基础，根据能量越小，结构越稳定的原则，得出稀土元素的最稳定掺杂位置，即WC
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Co/Y模型；（2）、两种结构均为单斜晶系，通过计算得出WC
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Co的体积模量B
H
=323.26616，剪切模量G
H
=139.05697，杨氏模量E=341.69596和泊松比=0.32383。掺杂Y元素之后，WC
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Co/Y的体积模量B
H
=293.54963，剪切模量G
H
=155.28590，杨氏模量E=396.02595和泊松比=0.27515；（3）、两种结构的电子特性如图3所示，在费米能级处都大于0，即没有能隙；（4）、声子谱无虚频，两种结构都是稳定的，并且他们的热力学性质如图7
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10所示。
[0004]2.一种新型硬质合金计算分析方法，其特征在于使用软件Materials Studio（MS）中的CASTEP模块对WC
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Co和掺杂Y元素的WC
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Co模型进行第一性原理计算，计算时选用广义梯度近似GGA中的（PBE）势函对模型中的电子与电子间的互换关联能进行处理，通过自洽迭代法SCF对总能进行收敛性计算，平面波截断能 设置为500eV，K点取值为。
[0005]与硬质合金WC
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Co相比，新型硬质合金WC
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Co/Y的优势如下：
（1）、两种结构皆为机械稳定结构。掺杂了稀土元素之后的材料既保证了材料的塑性，又使合金材料拥有更大的刚度和硬度，实现了硬质合金刚度和硬度与韧性的均衡，即提高了硬质合金的耐磨性和寿命；（2）、通过对电子特性与声子谱和声子PDOS的分析可以看出WC
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Co/Y有更强的金属性。声子谱无虚频，可以确定掺杂前后两种结构均是稳定结构，但是掺杂后的稳定性高于掺杂前，并且表明我们计算的热力学性质的可靠性；（3）、WC
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Co/Y有更高的熵、焓和热容，并且有较小的自由能。通过对硬质合金掺杂稀土元素前后的对比，可以发现，掺杂后的材料综合性能明显提升。
[0006]附图说明：附图1 WC
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Co模型；附图2 WC
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Co/Y模型；附图3 WC
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Co的态密度和分波态密度；附图4 WC
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Co/Y的态密度和分波态密度；附图5 WC
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Co的声子谱和声子态密度；附图6 WC
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Co/Y的声子谱和声子态密度；附图7 随着温度升高T*Enropy值的变化曲线；附图8 随着温度升高Entropy值的变化曲线；附图9 立方体场的Fe原子部分d轨道与其他原子作用图；附图10WC
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Co掺杂稀土元素前后的比热容。
具体实施方式
[0007]下面结合附图和技术方案详细说明本专利技术的具体实施。
[0008]1、钴在碳化钨表面的吸附、钴在晶界的偏析以及相界的钴置换的研究是通过进行钴置换以系统的方式进行的，Co在WC（0 0 0 1）表面的置换行为如图1，显示了钴单层的置换位置。WC
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Co是由粉末烧结而成，由于钴元素是添加在碳化钨之间，所以结构没有添加真空层。
[0009]2、硬质合金材料的显微组织中WC相不存在稀土，在硬质相之间的界面上以及Co相中均发现了稀土元素的存在，所以稀土元素的掺杂替换了其中的钴原子。通过自洽迭代法SCF对总能进行收敛性计算分别计算了四个掺杂位置的能量，确定了如图2位置的Y掺杂为能量最小值的结构，即如图2为最稳定结构。
[0010]3、两种晶体结构均属于单斜晶系，通过软件计算出弹性常数，代入公式进行计算得出弹性常数满足单斜晶系机械稳定性标准，说明结构是机械稳定的。根据Voigt
‑
Reuss
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Hill（VRH）近似，所得到的Hill体积模量B
H
和Hill剪切模量G
H
、Hill体积模量B
H
与Hill剪切模量G
H
之比B
H
/G
H
、杨氏模量E以及泊松比。
[0011]4、剪切模量和弹性常数C
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与材料硬度有关，剪切模量越大，材料硬度越高。杨氏模量同样是体现材料刚度和硬度的重要指标，杨氏模量越大，材料的刚度越大，材料的硬度越高。由此可知，与WC
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Co相比，WC
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Co/Y具有更高的硬度和更大的刚度。在评估韧脆性时，由Pugh提出的体积模量与剪切模量的比值（B
H
/G
H
）已被广泛用于评估材料的韧脆性。高B
H
/G
H
比意味着材料具有较高的韧性，反之则意味着材料具有较高的脆性。其中，判定韧性材料与
脆性材料的临界值约为1.75，当B
H
/G
H
<1.75时材料往呈现出脆性，反之则呈现塑性，两种材料均表现为韧性。同时可以说明WC
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.与硬质合金WC
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Co相比，新型硬质合金WC
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Co/Y的优势如下：（1）、两种结构皆为机械稳定结构，掺杂了稀土元素之后的材料既保证了材料的塑性，又使合金材料拥有更大的刚度和硬度，实现了硬质合金刚度和硬度与韧性的均衡，即提高了硬质合金的耐磨性和寿命；（2）、通过对电子特性与声子谱和声子PDOS的分析可以看出WC
‑
Co/Y有更强的金属性，声子谱无虚频，可以确定掺杂前后两种结构均是稳定结构，但是掺杂后的稳定性高于掺杂前，并且表明我们计算的热力学性质的可靠性；（3）、WC
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【专利技术属性】
技术研发人员：郝兆朋，邱圆，范依航，刘冉，张涵，
申请(专利权)人：长春工业大学，
类型：发明
国别省市：