硬质合金及耐磨涂层的集成计算材料工程：理论及应用

杜勇¹,许雨翔¹, 陈利¹, 张伟彬¹,张聪¹, 周鹏², 彭英彪³

粉末冶金国家重点实验室

摘要

硬质合金及耐磨涂层的集成计算材料工程（Integrated Computational Materials Engineering，ICME）旨在将关键实验研究和多尺度（纳观−微观−介观）计算模拟应用于材料设计及制备的全过程，通过成分−工艺−结构−性能相关性的集成化分析把硬质合金及耐磨涂层的研发由传统经验式上升到科学设计，从而大幅缩短新材料的研发和应用周期、降低新材料的开发成本。

本研究工作首先建立了完善的硬质合金热力学和热物理（包括扩散系数，界面能和热导率等）数据库；然后通过相场法模拟硬质合金烧结过程中的微观结构演化；最后通过相场法和有限元方法研究了硬质合金的微观结构与力学性能（应力分布、韧性和强度等）之间的相关性。在此基础上，提出了研发硬质合金的ICME并应用于新型硬质合金（如梯度硬质合金、“蜂窝结构”硬质合金和超细硬质合金等）的开发。

在硬质合金刀具表面沉积耐磨防护涂层（如TiAlN和CrAlN等）来提升切削性能和延长使用寿命是一种工业生产中常见的技术手段。然而，随着先进切削技术（高速切削、绿色切削等）的发展和难加工材料（钛合金、高温合金等）的应用，对硬质涂层的性能提出了愈来愈高的要求。因此，研究和开发具有更高硬度和更高热性能的涂层材料，对拓展涂层刀具的应用范围和提高其加工效率具有重要的现实意义。本研究工作在集成计算材料工程的框架下，基于多层涂层的形成能（表征界面结构的稳定性）和界面分离功（表征界面结合强度）的第一性原理计算，并结合关键实验，提出了多层涂层界面结构的理论模型。研究表明：不同调制比的TiAlN/TiN具有相近的形成能（负值）和界面分离功，共格界面可稳定存在且不受调制比的影响。然而，调制比的改变会显著影响TiAlN/ZrN的界面结构。当调制比（tTiAlN:tZrN）为4:1时，TiAlN/ZrN多层涂层为非外延生长，形成非共格界面；当tTiAlN:tZrN为1:4时，TiAlN/ZrN具有相对较小的形成能和较高的界面分离功，形成共格界面、获得优异的力学性能。

DOI：10.12110/firstfmge.20171121.105