CN114749744B - 一种预测无磁钢连接界面氮化物的方法 - Google Patents

一种预测无磁钢连接界面氮化物的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种预测无磁钢连接界面氮化物的方法，包括：对无磁钢界面进行预处理，开展高温钎焊实验；进行物相表征；建立并优化相关空间群晶体结构模型，对不同氮化物的性能进行评定；选取并构建最稳定的氮化物/钎料界面三维模型，对不同氮化物与钎料的结合性能进行评定；基于对不同氮化物的性能进行评定的结果以及对不同氮化物与钎料的结合性能进行评定的结果，获取无磁钢界面的氮化物预测结果。本发明使用第一性原理计算模拟预测无磁钢连接界面氮化物与钎焊接头性能，仅需钎焊实验后对界面氮化物析出相进行表征、计算，即可预测分析不同相对钎焊接头力学性能影响规律，方法简单、可行。

Description

一种预测无磁钢连接界面氮化物的方法
技术领域
本发明属于焊接与连接数值计算模拟领域，特别是涉及一种预测无磁钢连接界面氮化物的方法。
背景技术
现有技术中，无磁钢主要用于煤炭、石油领域。无磁钢也称无磁性钢或非磁性钢，指没有铁磁性且不能被磁化的钢，磁导率μ≤1.319×10-6h/m，属Fe-Mn-Al-C系列奥氏体，具有高硬度、高耐磨性、高强度、低导磁率等优点，成为电力、轨道交通运输、建筑等民生行业与选矿采矿、船舶、超导材料、核工业等大型高端装备制造产业的重要材料。随着经济社会发展，上述领域对无磁钢材料的需求越来越大。
现有的无磁钢领域研究大多数都集中在无磁钢制备方法与无磁钢组织性能分析，仅对无磁钢的制备、物理性能与组织变化进行研究，对于无磁钢钻铤连接尤其是钎焊连接界面氮化物方面研究却鲜有涉及。
在钎焊过程中，由于Cr2N、Cr23C6等脆性相会对接头强度造成不利影响，如何快速、高效的预测无磁钢钎焊连接界面氮化物性能是无磁钢领域的难点之一。因此，急需提出预测无磁钢连接界面氮化物的方法完善煤炭、石油等无磁钢相关领域的研究，提高无磁钢连接件的生产效率与产品质量。
发明内容
本发明的目的是提供一种预测无磁钢连接界面氮化物的方法，以解决上述现有技术存在的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种预测无磁钢连接界面氮化物的方法，包括：
对无磁钢待连接界面进行预处理，并对经过预处理的无磁钢界面进行高温钎焊，获得连接界面氮化物析出相；
基于测试设备仪器对所述无磁钢连接界面的氮化物析出相进行物相表征；
基于物相表征的结果建立若干个氮化物晶体结构模型，对若干个所述氮化物晶体结构模型进行结构优化；
对若干个所述氮化物晶体结构模型的性能进行评定，获取稳定的所述氮化物晶体结构模型；
基于稳定的若干个所述氮化物晶体结构模型构建若干个界面模型，对若干个界面模型的结合性能进行评定；
基于对若干个所述氮化物晶体结构模型的性能进行评定的结果以及对若干个所述界面模型的结合性能进行评定的结果，获取无磁钢连接界面的氮化物预测结果。
可选地，对无磁钢待连接界面进行预处理的过程包括：对所述无磁钢待连接界面进行表面打磨、清洗；所述打磨包括：采用1000-1500#的碳化硅纸依次打磨；所述清洗包括：在丙酮溶液中超声波清洗3-5分钟，去除氧化膜和油污。
可选地，对经过预处理的无磁钢界面进行高温钎焊的过程包括：将钎焊温度设定为1020℃-1150℃，真空度设定为10-3Pa至10-2Pa，保温时间设定为15-20min，对无磁钢界面进行高温钎焊后冷却至室温。
可选地，所述氮化物晶体结构模型包括CrN模型、Cr2N模型、AgN模型和MnN模型。
可选地，对若干个所述氮化物晶体结构模型的性能进行评定的方法为：对不同氮化物晶体结构模型的电荷密度、差分电荷密度、分波态密度进行模拟，基于模拟结果对不同氮化物晶体结构模型的性能进行评定。
可选地，基于稳定的若干个所述氮化物晶体结构模型构建若干个界面模型的方法为：基于优化后的两相界面表面能的大小进行选取构建。
可选地，对若干个界面模型的结合性能进行评定的方法为：对不同界面模型的界面间距、结合能、差分电荷密度分布、态密度进行模拟分析，基于模拟分析的结果对不同氮化物与钎料的结合性能进行评定。
可选地，对若干个界面模型的结合性能进行评定的方法还包括：对氮化物与界面的连接性能通过定性与定量综合评估分析。
可选地，获取无磁钢界面的氮化物预测结果的过程包括：对所述无磁钢界面的物相性能进行总体甄别与界定，并获取抑制不利相生成的预测结果。
本发明的技术效果为：
本发明使用第一性原理计算模拟预测无磁钢连接界面氮化物与钎焊接头性能，仅需钎焊实验后对界面氮化物析出相进行表征、计算，即可预测分析不同相对钎焊接头力学性能影响规律，方法简单、可行。
本发明提供的预测方法可用于煤炭、石油领域无磁钢钻铤的钎焊连接界面氮化物与钎焊接头性能预测、评估，具有重要的工程应用价值。
本发明提供的方法适用范围广，针对钎焊接头化合物性能预测适用范围包括但不限于无磁钢领域，特别是无磁钻铤钎焊连接界面，对钎焊条件与计算方法进行适当调整后，还可用于其他各类材料连接界面化合物性能与行为预测。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例中的预测无磁钢连接界面氮化物方法流程图；
图2为本发明实施例中连接界面氮化物AgN、CrN、Cr2N空间群模型；
图3为本发明实施例中的连接界面CrN和Cr2N电荷密度图；
图4为本发明实施例中的连接界面CrN和Cr2N态密度图；
图5为本发明实施例中的Ag(111)/CrN(111)和Ag(111)/Cr2N(001)界面模型；
图6为本发明实施例中的Ag(111)/CrN(111)和Ag(111)/Cr2N(001)界面三维分析结果；
图7为本发明实施例中的Ag(111)/CrN(111)和Ag(111)/Cr2N(001)界面差分电荷密度图；
图8为本发明实施例中的连接界面Ag/CrN和Ag/Cr2N态密度图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
实施例一
本实施例提供一种预测无磁钢连接界面氮化物的方法，主要应用于煤炭、石油领域，适用于无磁钢钻铤的钎焊连接界面氮化物与钎焊接头性能预测、评估，包括以下步骤：
第1步:对无磁钢待连接界面进行打磨、清洗、洁净后，开展高温钎焊实验。
第2步:使用扫描电镜SEM等仪器对界面氮化物析出相晶体学参数进行表征。
第3步：根据表征物相结果，使用Materials Studio等软件建立相关空间群晶体结构模型，并进行结构优化。
第4步：利用软件数值模拟分析相关氮化物的电荷密度、差分电荷密度、态密度，对不同氮化物性能进行评定。
第5步：使用计算模拟软件选取并构建最稳定氮化物/钎料界面三维模型。
第6步：利用软件数值模拟分析构建界面的界面间距、结合能、差分电荷密度分布、态密度等，对不同氮化物与钎料结合性能进行评定。
综合上述氮化物分析计算结果，对物相性能进行总体甄别与界定，并给出相关需要避免或抑制相的结论，提高无磁钢接头的力学性能。
本发明所述步骤1中表面打磨、清洗、洁净，采用1000-1500#碳化硅纸打磨，并在丙酮溶液中超声波清洗，去除氧化膜和油污。
本发明所述步骤1中高温钎焊实验，钎焊温度在1020℃-1100℃之间，真空度为10- 2Pa，保温20min后在炉中冷却至室温。
本发明所述步骤2中界面氮化物析出相为CrN、Cr2N、AgN、MnN等。
本发明所述步骤5中，最终构建界面稳定性通过优化后两相界面表面能大小判断。
本发明所述电荷密度、差分电荷、态密度等参数，反映各原子之间电子结构、成键类型，可定性评价界面结合强弱。
本发明所述界面间距、结合能等参数，可定量评价界面结合强弱。
本发明所述步骤7中氮化物与界面连接性能通过定性与定量综合评估分析。
实施例二
如图1-8所示，本实施例中提供一种预测无磁钢连接界面氮化物的测试方法，包括：
银铜钎料钎焊无磁钢界面氮化物性能预测。
根据图1预测无磁钢连接界面氮化物方法流程：
首先对无磁钢采用1000#碳化硅砂纸打磨，并在丙酮溶液中进行超声波清洗，去除其表面氧化膜和油污。在1050℃与真空度10-2Pa的条件下，使用AgCu钎料对无磁钢进行高温钎焊，保温20min后在炉中冷却至室温。
使用扫描电镜SEM的电子背散射衍射EBSD对界面氮化物析出相进行表征，得到AgN、CrN、Cr2N空间群与晶体学参数。
根据表征物相结果，使用Materials Studio软件软件建立AgN、CrN、Cr2N晶体结构模型，并进行结构优化(如图2所示)。
利用CASTEP模块分析得出CrN、Cr2N的电荷密度图(如图3所示)与态密度图(如图4所示)。在电荷密度图中，CrN中的Cr-N键强度明显高于Cr2N中Cr-N键强度，因此其自由能更负，更为稳定。并且通过态密度图分析，Cr2N的电子轨道杂化相比CrN更明显，即Cr2N的Cr-N键共价性高于CrN，但离子性弱于CrN，总体键强小于CrN，形成能更高，不如CrN稳定。此外，Cr2N的Cr-N键共价性高，导致其泊松比高于CrN，脆性更大。
使用计算模拟软件选取并构建稳定的Ag(111)/CrN(111)和Ag(111)/Cr2N(001)界面模型(如图5所示)。
图6为Ag/CrN和Ag/Cr2N界面三维分析结果，Ag/CrN与Ag/Cr2N界面间距分别为
Figure BDA0003640460930000071
对应的结合能分别为3.01J/m2、2.87J/m2，明显得出Ag/CrN界面Ag-N成键强度高于Ag/Cr2N界面。
通过对比不同界面差分电荷密度图(如图7所示)与态密度图(如图8所示)，两个界面处均出现了Ag失去电子、N得到电子现象，说明界面形成Ag-N离子键，但Ag-CrN界面处电子转移现象明高于Ag-Cr2N界面，因此Ag-CrN界面离子键强度高于Ag-Cr2N界面。并且，Ag-CrN界面处Ag与N原子s、p、d轨道杂化范围大于Ag-Cr2N界面处，说明Ag-CrN界面处Ag-N共价键作用较强。
综合分析，Ag-CrN界面的Ag-N无论是共价键还是离子键强度都高于Ag-Cr2N，所以Ag-CrN界面总体键强度高于后者，界面结合强度更高。与CrN化合物相比，Cr2N相脆性大且Ag/Cr2N界面结合强度更小，所以连接界面应严格控制Cr2N相含量，以提高接头力学性能。
以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种预测无磁钢连接界面氮化物的方法，包括以下步骤：
对无磁钢待连接界面进行预处理，并对经过预处理的无磁钢界面进行高温钎焊，获得连接界面氮化物析出相；
基于测试设备仪器对所述无磁钢连接界面的氮化物析出相进行物相表征；
基于物相表征的结果建立若干个氮化物晶体结构模型，对若干个所述氮化物晶体结构模型进行结构优化；
对若干个所述氮化物晶体结构模型的性能进行评定，获取稳定的所述氮化物晶体结构模型；
对若干个所述氮化物晶体结构模型的性能进行评定的方法为：对不同氮化物晶体结构模型的电荷密度、差分电荷密度、分波态密度进行模拟，基于模拟结果对不同氮化物晶体结构模型的性能进行评定；
基于稳定的若干个所述氮化物晶体结构模型构建若干个界面模型；
对若干个界面模型的结合性能进行评定；
对若干个界面模型的结合性能进行评定的方法为：对不同界面模型的界面间距、结合能、差分电荷密度分布、态密度进行模拟分析，基于模拟分析的结果对不同氮化物与钎料的结合性能进行评定；
基于对若干个所述氮化物晶体结构模型的性能进行评定的结果以及对若干个所述界面模型的结合性能进行评定的结果，获取无磁钢连接界面的氮化物预测结果。
2.根据权利要求1所述的预测无磁钢连接界面氮化物的方法，其特征在于，对无磁钢待连接界面进行预处理的过程包括：对所述无磁钢待连接界面进行表面打磨、清洗；所述打磨包括：采用1000-1500#的碳化硅纸依次打磨；所述清洗包括：在丙酮溶液中超声波清洗3-5分钟，去除氧化膜和油污。
3.根据权利要求1所述的预测无磁钢连接界面氮化物的方法，其特征在于，对经过预处理的无磁钢界面进行高温钎焊的过程包括：将钎焊温度设定为1020℃-1150℃，真空度设定为10-3Pa至10-2Pa，保温时间设定为15-20min，对无磁钢界面进行高温钎焊后冷却至室温。
4.根据权利要求1所述的预测无磁钢连接界面氮化物的方法，其特征在于，所述氮化物晶体结构模型包括CrN模型、Cr2N模型、AgN模型和MnN模型。
5.根据权利要求1所述的预测无磁钢连接界面氮化物的方法，其特征在于，基于稳定的若干个所述氮化物晶体结构模型构建若干个界面模型的方法为：基于优化后的两相界面表面能的大小进行选取构建。
6.根据权利要求1所述的预测无磁钢连接界面氮化物的方法，其特征在于，对若干个界面模型的结合性能进行评定的方法还包括：对氮化物与界面的连接性能通过定性与定量综合评估分析。
7.根据权利要求1所述的预测无磁钢连接界面氮化物的方法，其特征在于，获取无磁钢界面的氮化物预测结果的过程包括：对所述无磁钢界面的物相性能进行总体甄别与界定，并获取抑制不利相生成的预测结果。
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