Первый

Том 13 научных отчетов, номер статьи: 10504 (2023) Цитировать эту статью

211 Доступов

Подробности о метриках

Смеси диборидов различных металлов в виде твердых растворов являются перспективными материалами для нанесения твердых покрытий. В настоящей работе мы изучаем термодинамику смешения и механические свойства AlB\(_{2}\)-структурированного Sc\(_{1-x}\)Ta\(_{x}\)B\(_{2} \) твердых растворов методом первых принципов, основанным на теории функционала плотности, и формализме кластерного разложения. Наше термодинамическое исследование показывает, что два диборида легко смешиваются друг с другом, образуя непрерывную серию стабильных твердых растворов в псевдобинарном TaB\(_{2}\) \(-\)ScB\(_{2}\) система даже при абсолютном нуле. Интересно, что модули упругости, а также твердость твердых растворов демонстрируют значительные положительные отклонения от линейного правила Вегарда, оцененного между модулями ScB\(_{2}\) и TaB\(_{2}\). В случае Sc\(_{1-x}\)Ta\(_{x}\)B\(_{2}\) степени отклонения от таких линейных трендов могут достигать 25, 20, и 40% для модуля сдвига, модуля Юнга и твердости соответственно. Обнаружено улучшение стабильности, а также механических свойств твердых растворов Sc\(_{1-x}\)Ta\(_{x}\)B\(_{2}\) по сравнению с входящими в их состав соединениями. быть связано с эффектом заполнения электронных зон, возникающим при смешивании TaB\(_{2}\) с ScB\(_{2}\). Эти результаты не только демонстрируют выдающуюся роль заполнения зон в повышении стабильности и механических свойств Sc\(_{1-x}\)Ta\(_{x}\)B\(_{2}\), но также потенциально это может открыть возможность для разработки стабильных/метастабильных твердых растворов на основе диборидов металлов с превосходными и широко настраиваемыми механическими свойствами для применений с твердыми покрытиями.

Двойные дибориды металлов с химической формулой M\(_{1-x}^{\prime }\)M\(_{x}^{\prime \prime }\)B\(_{2}\), где M\(^{\prime }\) и M\(^{\prime \prime }\) — два различных металлических элемента (Mg, Al, Sc, Y, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Ru, Os и Re, например) и 0 \(\leqslant\) x \(\leqslant\) 1 в последние годы вызывают все больший интерес как многообещающие материалы с твердым покрытием для режущих инструментов. , благодаря их высокой термической и химической стабильности, а также хорошим механическим свойствам1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13. Недавно с помощью теоретических и экспериментальных аспектов было показано, что при добавлении второго металлического элемента M\(^{\prime \prime }\) к диборидным соединениям M\(^{\prime }\)B\(_{ 2}\), устойчивость и свойства полученных двойных диборидов металлов M\(_{1-x}^{\prime }\)M\(_{x}^{\prime \prime }\)B\ (_{2}\) можно значительно улучшить и, таким образом, превзойти составные части диборидных соединений, либо M\(^{\prime }\)B\(_{2}\), либо M\(^{\ prime \prime }\)B\(_{2}\)3,4,5,6,7,8,10,11,12,13. Например, сплавление TaB\(_{2}\) с ZrB\(_{2}\) с образованием тонких пленок Ta\(_{1-x}\)Zr\(_{x}\)B\ (_{2}\) приводит к улучшению твердости и ударной вязкости пленок по сравнению с пленками TaB\(_{2}\) и ZrB\(_{2}\)7,10,13. Другой пример: введение атомов Cr(Al) в пленки ZrB\(_{2}\) (TiB\(_{2}\)) повышает стойкость пленок к износу, окислению и коррозии, а также механические свойства пленок. образующиеся нестехиометрические пленки Zr\(_{1-x}\)Cr\(_{x}\)B\(_{y}\) (Ti\(_{1-x}\)Al\( _{x}\)B\(_{y}\)) можно улучшить или настроить, управляя композицией фильмов6,8,11. Повышение стабильности и механических свойств M\(_{1-x}^{\prime }\)M\(_{x}^{\prime \prime }\)B\(_{2}\) с Было высказано предположение, что M\(^{\prime }\)B\(_{2}\) и M\(^{\prime \prime }\)B\(_{2}\) напрямую связаны изменению числа валентных электронов, заполняющих связывающие и разрыхляющие электронные состояния материала14,15,16, контролируемому изменением M\(^{\prime }\)B\(_{2}\) и M\( Содержимое ^{\prime \prime }\)B\(_{2}\), как недавно было продемонстрировано в Sc\(_{1-x}\)V\(_{x}\)B\(_{2 }\) демонстрирующий превосходную термодинамическую стабильность и механические свойства, особенно твердость, по сравнению с ScB\(_{2}\) и VB\(_{2}\)12.