口头报告中高熵TiHfNbTaZrAlN涂层力学和热性能研究:结合密度泛函理论与实验方法
编号:366 访问权限:仅限参会人 更新:2024-04-19 15:07:02 浏览:77次

2024-05-12 17:05

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[D] 论坛3:物理气相沉积和化学气相沉积薄膜技术 [D-2] 论坛3下午

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摘要
借鉴于高熵合金设计思想发展而来的高熵氮化物涂层成为目前防护涂层的研究热点。本研究采用阴极弧蒸发方法制备了不同成分TiHfNbTaZrAlN涂层,并结合第一性原理计算和实验方法探讨了涂层的结构、力学性能和热稳定性。由于负形成能以及构型熵贡献,所有涂层均为单相面心立方结构,其中Ti0.55Al0.45N,Ti0.55(Me)0.05Al0.40N和Ti0.51(Me)0.09Al0.40N为中熵氮化物涂层,硬度分别为~28.4、31.8、32.2和33.1 GPa;Ti0.18(Me)0.43Al0.39N和Ti0.14(Me)0.48Al0.38N为高熵氮化物涂层,硬度增加至35.7和36.9 GPa。原子半径差异的多种类合金元素随机占据金属亚点阵位点带来晶格畸变的加剧,进而促进了固溶强化效应。同时,随着涂层中Me元素含量的增加,高价电子浓度Ta、Nb原子引起金属键比例增加,促进涂层韧性的提高。热分解物相变化和高温硬度的演化结果表明Ti0.18(Me)0.43Al0.39N和Ti0.14(Me)0.48Al0.38N高熵涂层表现出更为优异的热稳定性,具体地,在1100℃时,高熵Ti0.18(Me)0.43Al0.39N和Ti0.14(Me)0.48 Al0.38N涂层才达到时效峰值硬度,分别为~36.8和37.9 GPa。CINEB扩散动力学的计算结果表明,除Al外的其他金属元素平均扩散能垒增加,这归因于Hf、Nb、Ta和Zr相对于Ti与N形成更强离子键,弥补了更大原子半径元素固溶带来晶格常数增大的负面影响。此外,热力学计算结果显示,热产物c-AlN与高熵氮化物母相间的高应变能差异阻碍了易扩散Al原子在母相晶界处的热分解共格析出。以上机制的揭示有助于理解我们高熵Al0.39Ti0.18(Me)0.43N和Al0.38Ti0.14(Me)0.48N涂层的卓越力学性能和热稳定性,并为未来高熵氮化物涂层的设计提供理论指导。
关键词
TiHfNbTaZrAlN;高熵氮化物涂层;力学性能;热稳定性;第一性计算
报告人
张 华栋
中南大学粉末冶金研究院

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