[发明专利]筛选能提高硬质合金硬度的过渡金属掺杂元素的方法

说明书

本发明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。

技术领域

本发明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。

背景技术

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Toyo kohan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。

发明内容

针对上述问题，本发明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。

本发明的技术方案是：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。