РОЗРОБЛЕННЯ НОВИХ АРМІВНИХ ФАЗ СИСТЕМИ MO2FE1-XCRXB2 ДЛЯ ЗМІЦНЕННЯ РОБОЧИХ ПОВЕРХОНЬ НАФТОГАЗОВОГО ОБЛАДНАННЯ
DOI:
https://doi.org/10.31471/1993-9965-2024-2(57)-7-14Ключові слова:
зносотривкість, тугоплавкі бориди, твердість, тріщиностійкість, тверді розчини заміщення, першопринципні розрахунки.Анотація
Забезпечення довговічності робочих поверхонь, нафтогазового обладнання, яке експлуатується за умов абразивного зношування, потребує застосування нових матеріалів, які поєднують високу твердість та тріщиностійкість. Найбільш виразно така комбінація властивостей проявляється для тугоплавких сполук перехідних металів, зокрема боридів. У роботі проведено першопринципні розрахунки в рамках теорії функціоналу електронної густини (DFT) властивостей комплексних боридів формульного складу Mo2Fe1-xCrxB2 в рамках теорії функціоналу електронної густини. Для моделювання твердих розчинів було застосовано підхід віртуального кристалічного наближення, де модель твердого розчину забезпечувалась шляхом “змішування” псевдопотенціалів компонентів. Таким чином, було визначено модулі пружності, твердість, тріщиностійкість та температуру Дебая. Крім цього, було проведено оцінку особливостей електронної будови твердих розчинів шляхом визначення густини електронних станів та функції локалізації електронів. Аналіз отриманих даних показує, що у системі Mo2FeB2 –Mo2CrB2 має місце формування ряду неперервних твердих розчинів, які характеризуються нелійнійною зміною параметрів граток та, відповідно, ступенем тетраго-нальності. При цьому, пружні модулі Юнга та зсуву твердих розчинів Mo2Fe1-xCrxB2 зменшуються в інтервалі 0<x<0.4 та збільшуються в інтервалі 0.4<x<0.9, тоді як модуль всебічного стиску залишається на рівні ~ 300 ГПа. Концентраційна залежність твердості, розрахованої за усередненою моделлю, змінюється також нелінійно, зокрема, спостерігається мінімум твердості (~14 ГПа) для розчину Mo2Fe0.6Cr0.4B2 та максимум (~26 ГПа) – для розчину Mo2Fe0.1Cr0.9B2. Слід зазначити, що для розчинів із твердістю понад 20 ГПа значення розрахованої тріщиностійкості перевищують 3.8 МПа•м1/2, тоді як для розчинів із низькою твердістю тріщиностійкість також є низькою. За результатами порівняльного аналізу було встановлено, що найбільш оптимальним поєднанням властивостей характеризується розчин складу Mo2Fe0.1Cr0.9B2. На основі аналізу особливостей електронної будови було встановлено, що високий рівень властивостей забезпечується зниженням внеску антизв’язуючих станів вище рівня Фермі та, водночас, збільшення внеску pd-гібридизованих орбіталей, що формуються у парах «метал – бор».
Завантаження
Посилання
Tang L., Wang P., Ma Z., Pauliuk S., Chen W.-Q., Dai T., Lin Z.. Exploring the global trade networks of the tungsten supply chain: Insights into the physical and monetary mismatch among countries. Journal of Industrial Ecology. 2023. Vol. 27. No 1. P. 323–335. https://doi.org/10.1111/jiec.13333
Shlapak L., Shihab T., Prysyazhnyuk P., Yaremiy I. Structure formation of the chromium carbide-based cermet with copper-nickel-manganese binder. Metallofizika i Noveishie Tekhnologii. 2016. Vol. 38. No 7. P. 969–980.
Coronado J. J. Effect of (Fe,Cr)7C3 carbide orientation on abrasion wear resistance and fracture toughness. Wear. 2011. Vol. 270. No (3–4). P. 287–293. https://doi.org/10.1016/j.wear.2010.10.070
Prysyazhnyuk P., Di Tommaso D. The thermodynamic and mechanical properties of Earth-abundant metal ternary boride Mo2(Fe,Mn)B2 solid solutions for impact-and wear-resistant alloys. Materials Advances. 2023. Vol. 4. No 17. P. 3822–3838. https://doi.org/10.1039/d3ma00313b
Li B., Zheng Y., Wang W., Wu H., Li Y., Lv J.. Strengthening mechanism of Cr doping in Mo2FeB2-based cermets and effects on biphase interface. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. 2024. Vol. 118. Art. No 106485. https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2023.106485
Cao Z., Jian Y., Zhao Z., Xiao P., Xu L., Huang Z. On the dissolution and enhancement mechanisms of Cr doping in Mo2FeB2-based cermets. Ceramics International. 2023. Vol. 49. No 4. P. 6139–6148. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2022.11.007
Shen Y., Huang Z., Xiao P., Zhang L., Li K., Cao Z., Jian, Y. Sintering mechanism, micro-structure evolution and nanomechanical properties of Cr-added Mo2FeB2 based cermets. Ceramics International. 2020. Vol. 46. No 10. Part A. P. 15482–15491. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2020.03.093
Shi Z., Yin H., Xu Z., Zhang T., Yang G., Zheng Q., Rao R. S., Yang J., Gao F., Wu M. Microscopic theory of hardness and optimized hardness model of MX1B and M2X2B2 (M= W, Mo; X1= Fe, Co, X2= Fe, Co, Ni) transition-metal ternary borides by the first-principles calculations and experimental verification. Intermetallics. 2019. Vol. 114. Art. No 106573.
Bembenek M., Prysyazhnyuk P., Shihab T., Machnik R., Ivanov O., Ropyak L. Micro-structure and Wear Characterization of the Fe-Mo-B-C—Based Hardfacing Alloys Deposited by Flux-Cored Arc Welding. Materials. 2022. Vol. 15. Iss. 14. Art. No 5074. https://doi.org/10.3390/ma15145074
Hafner J. Kresse G.. The Vienna AB-Initio Simulation Program VASP: An Efficient and Versatile Tool for Studying the Structural, Dynamic, and Electronic Properties of Materials. In Properties of Complex Inorganic Solids (pp. 69–82). Springer US. https://doi.org/10.1007/978-1-4615-5943-6_10
Wang V., Xu N., Liu J.-C., Tang G., Geng, W.-T. VASPKIT: A user-friendly interface facilitating high-throughput computing and analysis using VASP code. Computer Physics Communications. 2021. Vol. 267, Art. No 108033. https://doi.org/10.1016/j.cpc.2021.108033
Bellaiche L., Vanderbilt D. Virtual crystal approximation revisited: Application to dielectric and piezoelectric properties of perovskites. Physical Review B. 2000. Vol. 61, No 12. P. 7877–7882. https://doi.org/10.1103/physrevb.61.7877
Perdew J. P., Burke K., Ernzerhof, M. Generalized gradient approximation made simple. Phys. Rev. Lett. 1996. Vol. 77. No 18. P. 3865–3868. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.77.3865
Perdew J. P., Chevary J., Vosko S., Jackson K. A., Pederson M. R., Singh D., Fiolhais C. Erratum: Atoms, molecules, solids, and surfaces: Applications of the generalized gradient approximation for exchange and correlation. Physical Review B. 1993. Vol. 48. No7. 4978.
Monkhorst H. J., Pack, J. D. Special points for Brillouin-zone integrations. Physical Review B. 1976. Vol. 13. No 12. Art. No 5188.
Hill R. The elastic behaviour of a crystalline aggregate. Proceedings of the Physical Society A. 1952. Vol. 65. No 5. Р. 349–354. https://doi.org/10.1088/0370-1298/65/5/307
Chen X.-Q., Niu H., Li D., Li Y. Modeling hardness of polycrystalline materials and bulk metallic glasses. Intermetallics. 2011. Vol. 19. No 9. P. 1275–1281. https://doi.org/10.1016/j.intermet.2011.03.026
Mazhnik E., Oganov A. R. A model of hardness and fracture toughness of solids. Journal of Applied Physics. 2019. Vol. 126. No 12. Art. No 125109. https://doi.org/10.1063/1.5113622
Miao N., Sa B., Zhou J., Sun Z. Theore-tical investigation on the transition-metal borides with Ta3B4-type structure: A class of hard and refractory materials. Computational Materials Science. 2011. Vol. 50. No 4. P. 1559–1566. https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2010.12.015
Teter, D. M. Computational alchemy: The search for new superhard materials. MRS Bulletin. 1998. Vol. 23, No 1, P. 22–27.
Tian Y., Xu B., Zhao Z. Microscopic theory of hardness and design of novel superhard crystals. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. 2012. Vol. 33. P. 93–106. https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2012.02.021
Pugh S. F. XCII. Relations between the elastic moduli and the plastic properties of polycrystalline pure metals. The London, Edin-burgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science. 1954. Vol. 45. No 367. P. 823–843. https://doi.org/10.1080/14786440808520496
Grimvall G., Sjödin, S. Correlation of properties of materials to Debye and melting temperatures. Physica Scripta. 1974. Vol. 10. No 6. P. 340–352. https://doi.org/10.1088/0031-8949/10/6/011
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторські права....
1.png)
1.png){kind=logo}
