【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种新型的硬质合金刀具材料——掺杂稀土元素y硬质合金wc-co界面模型的构建，并采用第一性原理方法进行计算分析。
技术介绍
1、硬质合金是由金属（通常是钨、钛、钼、铬等）与非金属（通常是碳、氮、硼等）组成的复合材料。它具备极高的硬度、强度和耐磨性，同时还能较好地抵御腐蚀并且保持稳定的热性能。因此，在各个工业领域中得到广泛应用。一般情况下，硬质合金是通过采用粉末冶金工艺制备而成。在制备过程中，将金属粉末和非金属粉末按照一定比例混合，然后在高温高压环境下进行烧结或热处理。这样一来，金属粉末与非金属粉末之间形成了坚固的结合，赋予了硬质合金出色的物理和化学特性。最常见的硬质合金是由碳化钨(wc)与粘结剂金属钴(co)结合而成。固相碳化物具有优异的硬度、高韧性和耐磨性。它们被用于切削和耐磨工具，对于工业加工具有极其重要的影响。然而，硬质合金刀具在切削难加工材料时，在加工过程中会出现切削力大、切削温度高，刀具磨损较为严重、不易断屑等特点。若想进一步扩大其在工业上的应用，研究更优异性能的硬质合金材料势在必行。在过去十年中，随着高性能计算机的发展和精确有效的密度泛函理论(dft)的兴起，声子计算已经成为了常规研究方法。随着最近几年材料晶格动力学的第一性原理计算的不断进步，材料电子结构与界面特性的研究也逐渐成为了材料研究中备受关注的焦点，因为它们与材料性能密切相关。人们数次尝试在wc等硬质合金中添加微量y元素，证实了y元素的添加可以改善硬质合金的性能，但是对于wc-co掺杂y元素的研究还甚为匮乏，我们基于密度泛函理论采用第一性原理计
技术实现思路
1、为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提出了一种掺杂稀土元素新型硬质合金刀具材料及其构建方法，通过对新型硬质合金刀具材料进行模型构建，并对其进行第一性原理计算和实验分析，得到更高性能硬质合金刀具材料。
2、为了实现上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案是：1.一种掺杂稀土元素新型硬质合金刀具材料及其构建方法及性能分析，步骤如下：步骤1：构建α-wc晶胞模型，选择切出wc（0001）w端和c端表面；步骤2：构建co晶胞模型，选择切出co（111）表面；步骤3：使用软件materials studio中castep模块对wc（0001）和co（111）表面进行收敛性测试，确定选用9层的wc（0001）表面和7层的co（111）表面构建界面模型；步骤4：对wc（0001）/co（111）进行匹配，发现wc（0001）和co（111）界面失配度为16.38%，为半相干界面，选择采用wc（0001）表面夹在两层co（111）表面之间的方式来构建wc（0001）/co（111）两种不同端口界面模型，为了消除界面模型上下层原子之间相互作用所产生的影响，在模型中沿c轴方向添加了厚度为15å的真空层，如图1、图2所示；步骤5：通过对硬质合金材料的微观组织研究表明，在wc相中不存在稀土元素，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y的掺杂是通过置换界面结合处的co原子来进行的，构建出wc（0001）-co（111）/y两种不同端口界面模型，如图3、图4所示。
3、2.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对掺杂稀土元素y前后的wc（0001）/co（111）的不同端口界面模型进行计算分析，通过实验对掺杂前后的硬质合金材料进行烧结并观察分析：（1）、通过对掺杂前后的界面结构计算得出wc（0001）/co（111）w端和c端的界面能和粘附功分别为6.36、2.59和7.96、3.48，掺杂后wc（0001）/co（111）-y的w端和c端界面能和粘附功分别为3.83、3.86和6.32、4.16；（2）、掺杂前后的界面结构的电子特性如图5—图8所示，在费米能级处的值都大于0，即没有能隙，都呈现一定的金属性；（3）、掺杂稀土元素y前后的断口形貌图如图9和图10所示，图11、图12、图13、图14分别为wc-co掺杂稀土元素y前后的烧结合金微观显微结构和形貌在金相显微镜下呈现的sem图像。采用定量显微镜技术得出未掺杂的硬质合金晶粒尺寸在5-20区间，平均晶粒尺寸约为8.4，反观掺杂后的晶粒尺寸则集中在3-10，平均晶粒尺寸约为6.25。
4、3.一种掺杂稀土元素y新型硬质合金理论计算与分析，其特征在于：使用软件materials studio中的castep模块对wc(0001)/co(111)~c端/w端界面及掺杂y元素后的界面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，并通过自洽迭代法scf对总能进行收敛性计算。选取截断能为520ev，k点参数设置为20×20×1，保证模型和体系能量在平面波基水平上收敛。
5、与传统硬质合金wc-co相比，新型硬质合金wc-co/y的优势如下：（1）、wc(0001)/co(111)w端和c端界面掺杂y元素之后拥有更大的粘附功和更小的界面能；掺杂后材料具有更强的界面结合能力，界面结合地更加紧密，界面稳定性更强；（2）、通过对电子态密度pdos的分析，掺杂后wc-co/y的金属性增强，w-d轨道和y-p轨道发生了轨道杂化并产生了共价键，说明掺杂后材料具有更优异的界面结合能力，性能更加稳定；（3）、通过实验发现掺杂后材料的平均晶粒尺寸更小，断口呈现出不规则形状。这是由于稀土元素自身具有的活泼化学性质对硬质合金的晶界有良好的净化效果，稀土元素的加入起到了晶粒细化的作用，提高了材料的结合强度。
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1.一种掺杂稀土元素新型硬质合金刀具材料构建方法及性能分析，其特征在于，其界面模型组成为WC（0001）-Co（111）/Y。
2.一种掺杂稀土元素新型硬质合金刀具材料及其构建方法及性能分析，其特征在于：步骤如下：
3.根据权利要求书2所述的一种掺杂稀土元素新型硬质合金刀具材料构建方法及性能分析，其特征在于，所述步骤3中表面能计算参数设置：选取截断能为520eV，k点参数设置为20×20×1，迭代次数不超过100次，保证模型和体系能量在平面波基水平上收敛，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，并通过自洽迭代法SCF对总能进行收敛性计算。
【技术特征摘要】
1.一种掺杂稀土元素新型硬质合金刀具材料构建方法及性能分析，其特征在于，其界面模型组成为wc（0001）-co（111）/y。
2.一种掺杂稀土元素新型硬质合金刀具材料及其构建方法及性能分析，其特征在于：步骤如下：
3.根据权利要求书2所述的一种掺杂稀土元素新型硬质合金刀具材料构建方...
【专利技术属性】
技术研发人员：郝兆朋，李政译，范依航，孔令昊，
申请(专利权)人：长春工业大学，
类型：发明
国别省市：
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