TaC与Ta2C的第一性原理研究

TaC和Ta2C是钽在渗碳过程中形成的两种重要的过渡金属碳化物,它们的含量和分布对渗碳层性能有着重要的影响,对二者性质的了解是开展钽表面渗碳改性研究的基础.采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理计算,讨论了TaC和Ta2C的相稳定性,即结构稳定性、机械稳定性和动力学稳定性,使用Voigt-Reuss-Hill近似与Chen的半经验公式得到了二者的弹性模量与硬度,通过电子结构计算讨论了二者力学性能差异的原因,并基于准简谐近似理论获得了二者的热力学性能.研究表明:TaC的硬度为24.7 GPa,高于Ta2C的硬度15.0 GPa,态密度与成键分析显示,Ta2C与TaC相比具有较强的Ta-Ta键,导致其表现出较低的弹性常数与模量,同时具有较好的塑性.而另一方面,Ta2C的热膨胀系数明显低于Ta与TaC,因此,预计Ta2C可以起到改善渗碳层的塑性,提高抗冲击能力的作用,但Ta2C的热膨胀能力与其他成分的差异可能会降低渗碳层的抗热循环性能.