УДК 621.9

Кабалдин Ю.Г., Серый С.В.,Кузьмишина А.М., Кретинин О.В., Власов Е.Е.

ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ИНТЕРМЕТАЛЛИДОВ «ИЗ ПЕРВЫХ ПРИНЦИПОВ» НА ОСНОВЕ КВАНТОВО-МЕХАНИЧЕСКИХ РАСЧЕТОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СUDA

(Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е.Алексеева)

В статье изложен эффективный и быстрый способ математического моделирования наноструктур «из первых принципов» (ab-initio), и, в частности, свойств наноструктур. В этой связи, в ней приведены некоторые результаты исследований прочностных свойств нескольких тугоплавких соединений, путем квантово-механических расчетов с использованием технологии СUDA. Произведена оценка увеличения коэффициента производительности для метода GPU-вычислений на основе CUDA-технологии. Показано, что использование технологии CUDA позволяет существенно снизить производительность вычислений.

Ключевые слова: интерметаллиды, квантово-механические расчеты, технология CUDA.

При расчетах влияния упрочняющих примесей на карбид и нитрид титана нами использовались элементарные ячейки размером 4х4х4 достаточного размера для изучения влияния примесей переходных металлов (Nb, V, Mo, Mg, Ta, Zr) на свойства TiC и TiN в массиве (примесь составила около 1.5%).

Ниже представлены энергетические зависимости влияния примесей, также на основе квантово-механических расчетах. Нитриды и карбиды титана были первыми тугоплавкими соединениями, использующиеся в качестве износосостойких покрытий для режущего инструмента. Предлагается добиться упрочнения покрытий из нитрида и карбида титана введением примесей порядка 1-2 % из различных элементов.

В этой связи упрочнение карбидных и нитридных покрытий для повышения работоспособности режущего инструмента представляет особый интерес. Квантово-механическое моделирование с целью получения новых составов покрытий, обладающих более высокой износостойкостью с использованием технологий CUDA, позволяет существенно уменьшить объем вычислительных процедур.

На рис.1 приведена схема при проведении квантово-механических расчетов.

Рис.1. Введение атома примеси ниобия (слева) и ванадия (справа) в супер-ячейку массива нитрида титана.

На рисунке 2 и 3 приведены результаты расчетов.

Примесь Zr в нитрид титана (один атом примеси на ячейку 4х4х4 атомов TiN). Модуль упругости – 776 ГПа	Примесь Zr в карбид титана (один атом примеси на ячейку 4х4х4 атомов TiC). Модуль упругости – 682 ГПа
Примесь V в нитрид титана. Модуль упругости – 774 ГПа	Примесь V в карбид титана. Модуль упругости – 687 ГПа
Примесь Ta в нитрид титана. Модуль упругости – 800 ГПа	Примесь Ta в карбид титана. Модуль упругости – 702 ГПа

Рис2. Построение энергетических зависимостей супер-ячеек нитрида и карбида титана для нахождения модуля упругости по методу Бирч-Мурнагана, примеси Zr, V,Ta.

Примесь Nb в нитрид титана. Модуль упругости – 792 ГПа	Примесь Nb в карбид титана. Модуль упругости – 695 ГПа
Примесь Cr в нитрид титана. Модуль упругости – 686 ГПа	Примесь Cr в карбид титана. Модуль упругости – 686 ГПа
Примесь Mg в нитрид титана. Модуль упругости – 751 ГПа	Примесь Mg в карбид титана. Модуль упругости – 661 ГПа

Рис.3 Построение энергетических зависимостей супер-ячеек объемного нитрида (слева) и карбида титана (справа) для нахождения модуля упругости по методу Бирч-Мурнагана, примеси Nb, Cr, Та,V.

В таблице 1 приведен ряд расчетных характеристик новых составов тугоплавких соединений.

Таблица 1

Параметр решетки а, объемный модуль B, полная энергия E_tot для TiN и TiC с примесями V, Nb, Ta, Cr, Mo, Zr.

Нано-структура	a (Å)	B (GPa)	Etot (eV/ atom)	Нано-структура	a (Å)	B (GPa)	Etot (eV/ atom)
TiN	4.22	650	-184,12	TiC	4.33	400	-126,14
TiN (V)	4,83	799	-185,20	TiC (V)	4,29	687	-126,72
TiN (Nb)	-	793	-184,86	TiC (Nb)	4,34	696	-126,36
TiN (Ta)	4,99	800	-184,79	TiC (Ta)	4,38	702	-126,31
TiN (Cr)	4,82	772	-186,68	TiC (Cr)	4,28	686	-128,17
TiN (Mg)	4,69	752	-183,27	TiC (Mg)	4,12	661	-124,71
TiN (Zr)	4,85	777	-183,95	TiC (Zr)	4,26	682	-125,44

Математическое моделирование упрочнения примесями тугоплавких соединений из переходных металлов на основе квантово-механических расчетов показало достаточно высокую эффективность их упрочнения, в особенности танталом Ta (прочность возросла на 29% для TiN и на 42% для TiC) и ниобием Nb (прочность возросла на 28% для TiN и на 41% для TiC). Можно также сделать вывод, что упрочнение нитридных покрытий более эффективно, чем карбидных.