Ab-initio дослідження стабільності та механічних властивостей високоентропійних керамік на основі тугоплавких металів

Editorial Board PCSS Journal; Валерій Бекеньов; Наталія Роженко; Валерій Картузов

doi:10.15330/pcss.27.3.606-612

Автор(и)

Валерій Бекеньов Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича Національної академії наук України
Наталія Роженко Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича Національної академії наук України
Валерій Картузов Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича Національної академії наук України

DOI:

https://doi.org/10.15330/pcss.27.3.606-612

Ключові слова:

високоентропійні карбіди, нітриди, карбонітриди, механічні властивості, теорія функціонала густини

Анотація

На основі методу функціоналу густини (DFT) теоретично досліджено карбідну (TiZrHfV)С, нітридну (TiZrHfV)N і карбонітридну (TiZrHfV)С_0.5N_0.5кераміки з еквімолярним вмістом тугоплавких перехідних металів. Застосовано критерії можливості формування розглянутих керамік за середньоквадратичним відхиленням параметрів ґраток складових та за ентальпією змішування. Термодинамічний аналіз показав, що дані сполуки стабілізуються ентропійним вкладом і можуть бути синтезовані при температурах вище 1716 К для (TiZrHfV)С, 684 К для (TiZrHfV)N), 166 К для (TiZrHfV)C_0.5N_0.5. Встановлено, що розглянуті кераміки є механічно стабільними. Представлено результати ab-initio розрахунків їх механічних властивостей (модуля Юнга, об'ємного та зсувного модулів, твердості, тріщиностійкості).

Посилання

. J.-W. Yeh, S.-K. Chen, S.-J. Lin, J.-Y. Gan, T.-S. Chin, T.-T. Shun, S.-Y. Chang, Nanostructured high-entropy alloys with multiple principal elements: novel alloy design concepts and outcomes, Advanced Engineering Materials, 6(5), 299 (2004); https://doi.org/10.1002/adem.200300567.

. B. Cantor, I.T.H. Chang, P. Knight, A.J.B. Vincent, Materials Microstructural development in equiatomic multicomponent alloys, Science and Engineering: A, 375-377(6), 213 (2004); https://doi.org/10.1016/j.msea.2003.10.257.

. C.M. Rost, E. Sachet, T. Borman, A. Moballegh, E.C. Dickey, D. Hou, J.L. Jones, S. Curtarolo, J.P. Mariam, Entropy-stabilized oxides, Nature Communications, 6, 8485 (2015): https://doi.org/10.1038/ncomms9485.

. C. Oses, C. Toher, S. Curtarolo, High-entropy ceramics 5(2), Nature Reviews Materials, 295 (2020); https://doi.org/10.1038/s41578-019-0170-8.

. E. Castle, T. Csanadi, S. Grasso, J. Dusza, M. Reece, Processing and properties of high-entropy ultra-high temperature carbides, Scientific Reports, 8, 8609 (2018); https://doi.org/10.1038/s41598-018-26827-1.

. P. Sarker, T. Harrington, C. Toher, C. Oses, M. Samiee, J. Maria, D.W. Brenner, K. S. Vecchio, S. Curtarolo, High-entropy high-hardness metal carbides discovered by entropy descriptors, Nature Communications, 9, 4980 (2018); https://doi.org/10.1038/s41467-018-07160-7.

. T. Csanadi, E. Castle, M.J. Reece, J. Dusza, Strength enhancement and slip behaviour of high-entropy carbide grains during micro-compression, Scientific Reports, 9, 10200 (2019); https://doi.org/10.1038/s41598-019-46614-w.

. T. Jin, X. Sang, R.R. Unocic, R.T. Kinch, X. Liu, J. Hu, H. Liu, S. Dai, Mechanochemical-assisted synthesis of high-entropy metal nitride via a soft urea strategy, Advanced Materials, 30 (23), 1707512 (2018); https://doi.org/10.1002/adma.201707512.

. J. Gild, Y.Y. Zhang, T. Harrington, S.C. Jiang, T. Hu, M.C. Quinn, W.M. Mellor, N. X. Zhou, K. Vecchio, J. Luo, High-entropy metal diborides: a new class of high-entropy materials and a new type of ultrahigh temperature ceramics, ScientificReports, 6, 37946, (2016); https://doi.org/10.1038/srep37946.

. R.Z. Zhang, M.J. Reece, Review of high entropy ceramics: design, synthesis, structure and properties, Journal of Materials Chemistry A, 7(39), 22148 (2019); https://doi.org/10.1039/C9TA05698J

. G. V. Samsonov, I. M. Vinitskii. Hand book of refractory compounds (IFI/Plenum, NewYork, 1980).

. S.-Y. Liu, S. Zhang, S. Liu, D.-J. Li, Z. Niu, Y. Li, S. Wang, Stability and mechanical properties of single-phase quinary high-entropy metal carbides: First-principles theory and thermodynamics, Journal of the European Ceramic Society, 42(7), 3089 (2022);. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2022.02.034.

. P. Giannozzi, S. Baroni, N. Bonini, et al, Quantum espresso: a modular and open-source software project for quantums imulations of materials, Journal of Physics: Condensed Matter, 21(39), 395502 (2009); https://doi.org/10.1088/0953-8984/21/39/395502.

. QuantumEspresso [http://www.quantum-espresso.org/pseudopotentials].

. J. P. Perdew, K. Burke, M. Ernzerhof, Generalized Gradient Approximatio Made Simple, Physical Review Letters, 77(18), 3865 (1996); https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.77.3865.

. N. Shulumba, O. Hellman, Z. Raza, B. Alling, J. Barrirero, F. Mücklich, I. A. Abrikosov, M. Oden, Lattice vibration schange the solid solubility of an alloy at high temperatures, Physical Review Letters, 117(20), 205502 (2016); https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.117.205502.

. S.-Y. Liu, S.Liu, D.-J. Li, S. Wang, J. Guo, Y. Shen, Abinitio atomistic thermodynamics study on the oxidation mechanism of binary and ternary alloy surfaces, The Journal of Chemical Physics, 142(6), 064705 (2015); https://doi.org/10.1063/1.4907718.

. B. Ye, T. Wen, K. Huang, C.-Z. Wang, Y.Chu, First-principles study, fabrication, and characterization of (Hf0.2Zr0.2Ta0.2Nb0.2Ti0.2)C high-entropy ceramic, Journal of the American Ceramic Society, 102 (7), 4344, (2019); https://doi.org/10.1111/jace.16295.

. R. Golesorkhtabar, P. Pavonea, J. Spitaler, P. Puschnig, C. Draxl, ElaStic: A tool for calculating second-order elastic constants from first principles, Computer Physics Communications, 184(8), 1861. (2013); https://doi.org/10.1016/j.cpc.2013.03.010.

. W. Voigt, Ueber die Beziehung zwischen den beiden Elasticitätsconstanten isotroper Körper, Annalen der Physik, 274, 573 (1889); http://dx.doi.org/10.1002/andp.18892741206.

. A. Reuss, Berechnung der Fließgrenze von Mischkristallen auf Grund der Plastizitätsbedingung für Einkristalle, Zeitschriftfur Angewandte Mathematik und Mechanik, 9, 49, (1929); https://doi.org/10.1002/zamm.19290090104.

. R. Hill, The Elastic Behaviour of a Crystalline Aggregate, Proceedings of the Physical Society A, 65(5), 349, (1952); https://doi.org/10.1088/0370-1298/65/5/307.

. V. A. Mukhanov, O. O. Kurakevych, V. L. Solozhenko, The interrelation between hardness and compressibility of substances and their structure and thermodynamic properties, Journal of Superhard Materials, 30(6), 368, (2008); https://doi.org/10.3103/S1063457608060026.

. D. Ferro, S. M. Barinov, J. V. Rau, A. Latini,R. Scandurra, B. Brunetti, Vickers and Knoop hardness of electron beam deposited ZrC and HfC thin films on titanium, Surface and Coatings Technology, 200(16-17), 4701 (2006); https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2005.02.150.

. K. Shi, C. Wang, C. Gross, Y. W. Chung, Reversing the inverse hardness–toughness trend using W/VC multilayer coatings, Surfaceand Coatings Technology, 284, 80, (2015); https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2015.06.086.

. Q. Yang, W. Lengauer, T. Koch, M. Scheerer, I. Smid, Hardness and elastic properties of Ti(CxN1-x), Zr(CxN1-x) and Hf(CxN1-x), Journal of Alloys and Compounds, 309(1-2), L5, (2000); https://doi.org/10.1016/S0925-8388(00)01057-4.

. X.-J. Chen, V.V. Struzhkin, Z. Wu, M. Somayazulu, J. Qian, S. Kung, A. N. Christensen, Y. Zhao, R. E. Cohen, H-k. Mao, R. J. Hemley, Hard superconducting nitrides, The Proceedings of the National Academy of Sciences, 102(9), 3198, (2005); https://doi.org/10.1073/pnas.0500174102.

. J.O. Kim, J.D. Achenbach, P.B. Mirkarimi, M. Shinn, S.A. Barnett, Elastic constants of single-crystal transition-metal nitride films measured by line-focus acoustic microscopy, Journal of Applied Physics, 72(5), 1805, (1992); https://doi.org/10.1063/1.351651.

. C. Escobar, J. C. Caicedo, H. H. Caicedo, M. Mozafari, Design of hard surfaces with metal (Hf/V) nitride multinanolayers, Journal of Superhard Materials, 36(6), 366, (2014); https://doi.org/10.3103/S1063457614060021.

. G. Abadias, V. V. Uglov, I. A. Saladukhin, S. V. Zlotski, G. Tolmachova, S. N. Dub, A. J. VanVuuren, Growth, structural and mechanical properties of magnetron-sputtered ZrN/SiNx nanolaminated coatings, Surface and Coatings Technology, 308, 158, (2016); https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2016.06.099.

. S. A. Firstov,T,G. Rogul, Theoretical (Ultimate) Hardness, Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 4, 110, (2007); http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/1792.

. M. Born, K.Huang. Dynamics Theory of Crystal Lattices (Oxford University Press, Oxford, UK, 1954).

. F. Mouhat, F.-X. Coudert, Necessary and sufficient elastic stability conditions in various crystal systems, Physical Review, B 90(22), 224104, (2014); https://doi.org/10.1103/PhysRevB.90.224104.

. Z. Li, K. Xiong, Y. Sun, C. Jin, S. Zhang, J. He, Y. Mao, First-principles study of mechanical and thermodynamic properties of intermetallic Pt3M (M = Al, Hf, Zr Co, Y, Sc), Computational Condensed Matter, 23, e00462, (2020); https://doi.org/10.1016/j.cocom.2020.e00462.

. S.F. Pugh, Relations between the elastic moduli and the plastic properties of polycrystall inepure metals, The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science, 45(367), 823 (1954); https://doi.org/10.1080/14786440808520496.

. V. F. Gorban, S. O. Firstov, M. O. Krapivka, A. V. Samelyuk, and D. V. Kurylenko, Influence of various factors on the properties of solid-soluble high-entropy alloys based on BCC and FCC phases, Materials Science, 58(1),135, (2022); https://doi.org/10.1007/s11003-022-00641-7.