基于第一性原理的合金化相关趋势：在 Ti--Al--X--N 体系中的应用

通过合金化来定制和改善材料性能是一个历史悠久且应用广泛的概念。近期研究已证明从头算计算在理解纳米尺度材料性能方面的潜力。本文系统概述了在常规用作保护性硬质涂层的 Ti$_{1-x}$Al$_x$N 体系中添加前过渡金属（Y、Zr、Nb、Hf、Ta）时的合金化趋势。合金晶格参数往往大于相应的线性化 Vegard 估计值，其中 Y$_{0.5}$Al$_{0.5}$N 获得的最大偏差超过 2.5%。化学强化在 Ta 和 Nb 中最为显著，尽管由于其原子半径与 Ti 和 Al 相当，它们也引起最小的晶格弹性畸变。电子态密度的分析进一步支持了这一点。最后，作为分解为稳定组元驱动力量度的混合焓，在添加 Y、Zr 和 Nb 时增大，这表明在这些情况下，相较于 Hf 和 Ta 合金化的 Ti$_{1-x}$Al$_x$N，调幅分解的开始将在更低的热载荷下出现。