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随着信息技术的发展和材料研发的进步,传统的“试错法”研制新材料的方式出现了诸如研发时间长,成本高等一系列弊端。本文采用“材料基因组计划”和材料设计思想,选定具有替代WC-Co基金属陶瓷潜力的三元硼化物基金属陶瓷进行了微观组织、力学性能等性质的研究研究。利用第一性原理计算研究了不同过渡金属掺杂元素掺杂不同硬质相的力学性能和电子结构。利用SPS方法研究了烧结过程中和不同掺杂含量下的物相,组织和力学性能,并验证了第一性原理计算的结论。三元硼化物不仅具有二元硼化物高硬度的特性,还具有和金属基体的良好相容性的特点。根据元素周期表,在对ICSD数据库中26种存在的二元硼化物进行力学性能,韧性,硬度等的计算和对比分析。发现了具有良好研究前景的WCoB,MoCoB,Mo2FeB2,Mo2NiB2等三元硼化物。其中WCoB由于较高的力学性能和强度等,被选为研究本课题的研究目标。利用不同含量的过渡金属V(3s24p63d34s2)取代Co(3d74s2)进行了 V掺杂WCoB和W2CoB2的第一性原理计算。发现V掺杂后的WCoB和W2CoB2的稳定性下降,更难由单质反应形成。同时更弱的B-V共价键和W-V金属键的形成也导致来了 V掺杂后的力学性能和硬度的降低。但低含量V掺杂WCoB和W2CoB2的韧性得到提高。利用不同含量的过渡金属Cr(3s23p63d54s1)取代Co(3d74s2)进行了 Cr掺杂WCoB和W2CoB2的第一性原理计算。Cr掺杂WCoB和W2CoB2处于热力学稳定状态,也提高了晶格的稳定性。Cr掺杂会导致力学性能的下降,同时会提高材料的韧性。韧性增加是由于Cr掺杂导致2s(B)-3d(Co,Cr)-5d(W)之间的杂化作用提高。同时低含量Cr掺杂WCoB的硬度有提高。利用不同含量的过渡金属Mn(3d54s2)取代Co(3d74s2)进行了 Mn掺杂WCoB和W2CoB2的第一性原理计算。Mn掺杂结构均能保持良好的结构稳定性且晶胞稳定性略有增强。由于B-Mn共价键比B-Co共价键更弱,Mn掺杂导致力学性能和硬度的降低和韧性的提高。Mn掺杂含量达到最大值时的WMnB和W2MnB2结构的力学性能在下降后略有上升。对不同掺杂含量下的V,Cr,Mn掺杂WCoB和W2CoB2晶胞进行了第一性原理计算及对比分析。研究发现Cr,Mn掺杂后的WCoB和W2CoB2晶胞的稳定性较好且具有相对高的力学性能。Cr,V掺杂WCoB和W2CoB2的韧性有提高。利用四种不同的硬度模型,对比分析发现低含量的Cr掺杂WCoB晶胞的硬度有明显提高。因此Cr掺杂WCoB是WCoB基金属陶瓷进行材料改性较好的选择。利用第一性原理计算进一步研究了WCoB和Cr掺杂WCoB晶胞的在高压下的力学性能和电子结构。W4Co4B4和W4Co3CrB4晶胞在170GPa下是稳定状态。高压导致了晶胞参数和晶胞体积的降低和力学性能的增大。高压下也促使了晶胞韧性和硬度的增大。高压也促进了成键部分的电子离域化,导致了杂化程度的降低。同时晶胞结构在不同压力下磁性很小,接近于无。对600℃至1200℃下的WCoB基金属陶瓷进在SPS条件下的烧结,并综合分析微观组织和物相演变。发现WCoB硬质相在1000℃时由二元硼化物Co2B固相反应生成,此时孔隙较多,致密度较低。1150℃时开始出现液相,致密度大幅提高。维氏硬度在1200℃下达到最高1262Hv,TRS在1170℃下达到最高1212 MPa。对1150℃至1200℃下的WCoB基金属陶瓷进行SPS条件下不同含量Cr掺杂实验分析,发现Cr掺杂含量的上升导致了密度,抗弯强度等性能的下降。这主要由于Co含量的下降使未完全反应的W相含量上升,同时Cr元素没有掺杂进WCoB硬质相的残留部分导致了粘结相润湿性的降低。Cr掺杂使材料的硬度明显提升,最高硬度为1751Hv0.5。在Rietveld结构精修和EDS分析的基础上,利用0.025Kg载荷对硬质相硬度进行测量,发现与理论硬度模型吻合良好。