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Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 10504 (2023) Citer cet article

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Les mélanges de différents diborures métalliques sous forme de solutions solides sont des matériaux prometteurs pour les applications de revêtement dur. Ici, nous étudions la thermodynamique du mélange et les propriétés mécaniques de AlB\(_{2}\)-structuré Sc\(_{1-x}\)Ta\(_{x}\)B\(_{2} \) solutions solides utilisant la méthode des premiers principes, basée sur la théorie fonctionnelle de la densité et le formalisme d'expansion des clusters. Notre enquête thermodynamique révèle que les deux diborures se mélangent facilement pour former une série continue de solutions solides stables dans le pseudo-binaire TaB\(_{2}\) \(-\)ScB\(_{2}\) système même au zéro absolu. Fait intéressant, les modules d'élasticité ainsi que la dureté des solutions solides montrent des écarts positifs significatifs par rapport à la règle de Vegard linéaire évaluée entre celles de ScB\(_{2}\) et TaB\(_{2}\). Dans le cas de Sc\(_{1-x}\)Ta\(_{x}\)B\(_{2}\), les degrés d'écart par rapport à ces tendances linéaires peuvent atteindre 25, 20, et 40 % pour le module de cisaillement, le module d'Young et la dureté, respectivement. On retrouve l'amélioration de la stabilité ainsi que des propriétés mécaniques des solutions solides Sc\(_{1-x}\)Ta\(_{x}\)B\(_{2}\) par rapport à leurs composés constitutifs être lié à l'effet de remplissage de bande électronique, induit lors du mélange de TaB\(_{2}\) avec ScB\(_{2}\). Ces résultats démontrent non seulement le rôle important du remplissage de bande dans l'amélioration de la stabilité et des propriétés mécaniques de Sc\(_{1-x}\)Ta\(_{x}\)B\(_{2}\), mais cela peut également potentiellement ouvrir la possibilité de concevoir des solutions solides à base de diborure métallique stables/métastables avec des propriétés mécaniques supérieures et largement réglables pour les applications de revêtement dur.

Diborures doubles métalliques de formule chimique M\(_{1-x}^{\prime }\)M\(_{x}^{\prime \prime }\)B\(_{2}\), où M\(^{\prime }\) et M\(^{\prime \prime }\) sont deux éléments métalliques distincts (Mg, Al, Sc, Y, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Ru, Os et Re, par exemple) et 0 \(\leqslant\) x \(\leqslant\) 1, ont suscité un intérêt croissant ces dernières années en tant que matériaux de revêtement dur prometteurs pour les outils de coupe. , grâce à leurs hautes stabilités thermiques et chimiques ainsi que leurs bonnes propriétés mécaniques1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13. Il a été récemment démontré du point de vue théorique et expérimental qu'en ajoutant le deuxième élément métallique M\(^{\prime \prime }\) aux composés diborures M\(^{\prime }\)B\(_{ 2}\), les stabilités et les propriétés des diborures doubles métalliques résultants M\(_{1-x}^{\prime }\)M\(_{x}^{\prime \prime }\)B\ (_{2}\) peut être significativement amélioré et devenir ainsi supérieur à ceux des composés diborures constitutifs, soit M\(^{\prime }\)B\(_{2}\) ou M\(^{\ prime \prime }\)B\(_{2}\)3,4,5,6,7,8,10,11,12,13. Par exemple, allier TaB\(_{2}\) avec ZrB\(_{2}\) pour former des films minces de Ta\(_{1-x}\)Zr\(_{x}\)B\ (_{2}\) entraîne une amélioration de la dureté et de la ténacité des films, par rapport à celles des films TaB\(_{2}\) et ZrB\(_{2}\)7,10,13. Un autre exemple est que l'introduction d'atomes de Cr (Al) dans des films de ZrB\(_{2}\) (TiB\(_{2}\)) augmente les résistances à l'usure, à l'oxydation et à la corrosion des films, ainsi que les propriétés mécaniques du films non stœchiométriques résultants de Zr\(_{1-x}\)Cr\(_{x}\)B\(_{y}\) (Ti\(_{1-x}\)Al\( _{x}\)B\(_{y}\)) peut être amélioré ou ajusté en contrôlant la composition des films6,8,11. L'amélioration des stabilités et des propriétés mécaniques de M\(_{1-x}^{\prime }\)M\(_{x}^{\prime \prime }\)B\(_{2}\) avec par rapport à M\(^{\prime }\)B\(_{2}\) et M\(^{\prime \prime }\)B\(_{2}\) a été suggéré comme étant directement lié aux changements dans le nombre d'électrons de valence remplissant les états électroniques de liaison et anti-liaison du matériau14,15,16, contrôlés par la variation de M\(^{\prime }\)B\(_{2}\) et M\( ^{\prime \prime }\)B\(_{2}\), comme récemment démontré dans Sc\(_{1-x}\)V\(_{x}\)B\(_{2 }\) présentant une stabilité thermodynamique et des propriétés mécaniques supérieures, en particulier la dureté, par rapport à ScB\(_{2}\) et VB\(_{2}\)12.