基于热力学计算设计WC-10%Co-Cr3C2-VC超细硬质合金烧结温度

集成热力学计算和关键实验研究烧结温度对WC-10%Co-Cr₃C₂-VC超细硬质合金结构和性能的影响,基于平衡相图及固态黏结相完全消失温度设计合金成分和烧结工艺。结果表明：采用相图计算设计碳含量及烧结温度,合金微观结构中未出现有害相并且合金致密度都在99%以上,说明基于多组元硬质合金热力学数据库进行相图计算设计合金是可靠的;其次,同种合金成分下,烧结温度高于固态黏结相完全消失温度60℃时,合金的力学性能及可靠性最优,说明合理的调整烧结温度可减少合金中微型缺陷。     

梯度硬质合金及耐磨涂层的计算模拟和实验验证

建立了多组元硬质合金W-C-Co-Ti-Cr-Ta-Nb-N体系热力学及动力学基因库。利用所建立的热力学及扩散动力学基因库,模拟了WC-Ti(C,N)-TaC-Co硬质合金梯度层形成过程,计算所得各相体积分数及组元成分与实验结果相吻合。采用SEM和EDS等方法对不同N气氛下梯度烧结所获得的WC-Ti(C,N)-Co梯度硬质合金进行了合金表面组元成分分布测定,并对样品梯度层的形成进行了模拟,模拟能很好地描述实验结果。基于第一原理计算和实验对广泛应用的三元Ti-Al-N耐磨涂层体系的结构、力学、热力学性质和调幅分解曲线,以及调幅分解析出立方二元氮化物的性能进行了研究。计算结果与已有实验值符合较好,可为高性能硬质合金和多元涂层的开发设计提供理论指导。最后提出了硬质合金及耐磨涂层研发的基因框图。     

梯度硬质合金梯度层形成的计算机模拟及验证

结合相图热力学计算,使用DICTRA软件计算模拟Co-W-Ti-C-N、Co-W-Ti-Nb-C-N和Co-W-Ti-Ta-C-N体系梯度硬质合金梯度层形成过程,对比计算模拟和实测的梯度硬质合金中Co含量的距离变化曲线。通过分析各相体积分数及组元成分随距离的分布研究烧结时间、烧结温度、Co含量和Ti含量对梯度层厚度的影响。结果表明:计算模拟与实验数据吻合较好。延长烧结时间、升高烧结温度和增加Co含量均会促进梯度层厚度的增加,而增加Ti含量则会抑制梯度层厚度的增加。     

硬质合金及耐磨涂层：理论设计及产品开发（Ⅰ）

随着计算机技术与热力学动力学数据库的发展,把材料计算模拟和关键实验结合在一起,集成、优化、应用到硬质合金产品设计开发的全过程,通过成分–工艺–结构–性能的关联分析,能够把硬质合金及耐磨涂层的研发由传统经验或者半经验方式提升到科学的顶层/底层设计,加快研发速度,降低研发成本。本文阐述了第一性原理计算、CALPHAD方法(相图计算方法)、相场模拟和有限元模拟等计算模拟方法,论述了它们在硬质合金及耐磨涂层研发中所发挥的具体作用,从用户需要、设计制备和工业生产3个层面探讨并建立了基于集成计算材料工程进行产品开发的框架。     

基于热、动力学计算模拟研发梯度硬质合金

对于材料研发和过程参数优化来说,掌握材料体系的热、动力学信息并基于CALPHAD(相图计算)方法进行计算模拟是一种强有力且高效的方式。CALPHAD计算结果的准确性在很大程度上取决于热力学和动力学数据库的质量。基于前期建立的热力学数据库(CSUTDCC1)和动力学数据库(CSUDDCC1),对硬质合金研发过程中所关心的烧结"碳窗口"、立方相组分等信息进行了计算模拟。研究了几种在真空和不同N_2分压下烧结的梯度硬质合金,采用SEM和EPMA研究了梯度层的微观结构和元素浓度分布,并通过热、动力学数据库进行了计算模拟,计算模拟结果与实验数据吻合。本工作探讨了热、动力学计算模拟在梯度硬质合金的设计和研发中的应用示范,为新型高性能梯度硬质合金的开发提供理论支撑。     

梯度硬质合金梯度层形成的计算机模拟及验证

建立了多组元梯度硬质合金W-C-Co-Ti-Ta-Nb-N体系的热力学和扩散动力学数据库,采用Thermo-Calc相图热力学计算软件描述了梯度烧结过程中出现的各相及其成分,并采用DICTRA扩散动力学软件对WC-Ti(C,N)-Co,WC-Ti(C,N)-TaC-Co和WC-Ti(C,N)-NbC-Co合金梯度层的各相体积分数及各组元成分随距离的分布进行了计算机模拟,模拟结果与实验结果吻合良好.在热力学和扩散动力学数据库基础上制备了WC-(Ti,W)C-Ti(C,N)-(Ta,Nb)C-Co合金,采用SEM观察梯度层的显微结构,利用EDS分析合金组元分布,并对合金梯度层的形成进行了计算模拟,模拟结果与实验结果吻合良好.     

烧结碳势对梯度硬质合金组织结构的影响

结合热力学计算,通过两次烧结法,先在含氮气氛下预烧结,然后在不同碳势的气氛下梯度烧结,分别制备了WC-Ti(C,N)-7.5%Co、WC-Ti(C,N)-10%Co、WC-Ti(C,N)-7.5%Co-3%Nb和WC-Ti(C,N)-10%Co-3%Ta共4组成分的梯度硬质合金。通过对其成分分布和微观组织结构的表征,研究了烧结碳势对不同组分的梯度硬质合金基体合金表面无立方相层厚度的影响。结果表明:烧结碳气氛与合金碳势差较大时能形成表面无立方相层,烧结气氛的碳势越高,表面无立方相层越薄;在气氛与合金碳势差过小时不形成梯度,而是形成均质结构;Co含量提高,更容易形成梯度,表面无立方相层加厚;加入了Ta或Nb之后,立方相增多,梯度形成效果更明显,但无立方相层变薄。     

化学气相沉积制备硬质合金刀具涂层研究进展

化学气相沉积技术(CVD)广泛应用于硬质耐磨涂层的生产中,该类涂层可大大提高硬质合金工具的耐磨性和寿命。综述了CVD涂层技术在硬质合金切削刀具中的应用研究进展,首先介绍了CVD涂层技术的原理及其发展历程;其次阐述了模拟计算方法(相图计算、流体力学计算、第一性原理计算、相场模拟、机器学习等)在CVD涂层中的应用;再次介绍了CVD涂层的沉积实验及结构和性能表征方法;最后列举了几种典型的硬质合金刀具用CVD涂层,以期为高性能涂层的智能设计、智能集成和智能研发提供新的思路:即把多尺度计算模拟、科学数据库和关键实验集成到硬质涂层开发的全过程中,通过对成分-工艺-结构-性能进行关联分析,将耐磨涂层的研发由传统经验或者半经验方式提升到科学的微结构智能设计上,以实现基体与涂层微结构调控和性能的协同优化,获得最佳的综合性能。     

超细/纳米晶无黏结相WC硬质合金的研究进展

无黏结相WC硬质合金（Binderless tungsten carbide,BTC）因具有传统硬质合金无可比拟的优异耐磨性、抗腐蚀性、极佳的抛光性和抗氧化性,在耐冲蚀、高耐磨的工具、精细刀具以及石油、页岩气开采等领域有很好的应用前景。超细/纳米晶BTC制备的关键问题之一是如何控制WC晶粒的长大,本文从超细/纳米WC粉末的制备技术、BTC材料成分设计及成型工艺和烧结技术等方面对超细/纳米晶BTC的相关研究成果进行综述,强调了原料WC粒度、第二相化合物添加、先进成型工艺和烧结技术在BTC致密化过程中的关键作用,对比了不同成分体系、不同烧结工艺下超细/纳米晶BTC材料的性能差异;指出超细/纳米晶BTC制备过程中存在的主要问题为致密化和强韧化,可通过已开发的多种先进烧结技术及第二相增强增韧技术来解决,但尚未实现工业化应用;最后,阐明了超细/纳米晶BTC的发展趋势为在低温低压下获得更细的致密烧结体。     

铸造烧结TiC钢结硬质合金/多元低合金钢复合界面及组织的研究

在研究烧结坯体压制工艺和铸造烧结工艺的基础上,采用铸造烧结法在多元低合金钢基体上,复合了2～4mm厚的铸造烧结TiC钢结硬质合金层.利用扫描电子显微镜和XRD等方法研究了烧结结合界面以及复合层组织和成分.结果表明:铸造烧结TiC钢结硬质合金复合层与基体材料结合界面存在明显的过渡层,为冶金结合;铸造烧结层中硬质相主要为TiC颗粒,其形状近似球形,颗粒直径在0.5～2 μm,体积分数约为50％～60％,均匀分布在粘结相中;粘结相为Fe-Cr的固溶体,含有少量Cr3C2和Cr7C3等烧结过程中形成的碳化物.     

微波烧结温度对TiB_2钢结硬质合金组织及性能的影响

利用热力学分析Fe-Ti-B体系反应生成TiB_2的可能性,运用DSC曲线确定原位反应温度,并采用微波烧结技术原位合成TiB_2钢结硬质合金。通过光学显微镜、扫描电镜、能谱分析仪分析微波烧结温度对原位合成TiB_2钢结硬质合金组织的影响,采用显微硬度计和万能试验机对TiB_2钢结硬质合金的显微硬度及抗弯强度进行检测分析。结果表明:Fe-Ti-B体系在637.8℃即可发生原位反应,体系中反应生成物相主要为TiB_2和Fe_2B相。随着烧结温度的升高,硬质合金的密度、显微硬度和抗弯强度均先升高后降低,在1100℃时达到最大值,即相对密度、显微硬度和抗弯强度分别为97.5%、418 HV0.1和647 MPa。     

梯度硬质合金梯度层形成过程模拟分析

以梯度硬质合金W-C-Co-Ti-Ta-Nb-N体系为研究对象,分别建立了动力学和热力学数据库,通过计算机模拟分析了梯度层形成过程中相体积分数与合金组元成分分布,并与文献实验结果进行了对比。结果表明,模拟结果和实验结果基本吻合。     

梯度硬质合金梯度层形成过程模拟分析

以梯度硬质合金W-C-Co-Ti-Ta-Nb-N体系为研究对象,分别建立了动力学和热力学数据库,通过计算机模拟分析了梯度层形成过程中相体积分数与合金组元成分分布,并与文献实验结果进行了对比。结果表明,模拟结果和实验结果基本吻合。     

网状结构硬质合金界面钴相扩散过程研究

网状结构硬质合金是一种具有新型微观组织结构的硬质合金复合材料,而界面钴相梯度控制是网状结构硬质合金研究的关键技术。本文以YG20C作为网状合金的基体、YG6X作为团粒制备网状硬质合金试样,结合SEM、EDS等检测手段,研究烧结温度与保温时间对界面钴相扩散的影响。并通过相图计算、第一性原理等理论计算方法对钴相扩散的过程进行进一步研究证明。结果表明,当烧结温度高于1 340℃时,即使很短的保温时间界面钴相也很容易扩散均匀,当温度低于1 320℃,即使延长保温时间,核壳组织两边的钴相含量没有明显的变化,即界面钴相扩散受到了抑制。实验结果与理论计算相符合。     

硬质合金表面覆钴机理及其影响因素

本文综述了硬质合金表面覆钴机理、影响因素及其对合金性能的影响,重点阐述了硬质合金液相迁移力、毛细管力、表面张力和Co相挥发对表面覆钴层的形成的影响,并结合各种合金成分和烧结制度,阐明了影响表面覆钴的主要工艺因素和控制途径。结果表明,表面覆钴层形成于降温过程中某个非常短的时间段,合金成分钴含量高、晶粒度细,并且烧结过程中慢速降温和在脱碳气氛中降温,可以促进表面覆钴层的形成。表面覆钴层可以显著提高WC-Co硬质合金表面韧性和焊接性能。     

Ce在混合稀土掺杂的硬质合金烧结体表面富集现象的热力学分析

采用混合稀土(以La和Ce为主体成分)-Co预合金粉形式在硬质合金湿磨时直接加入制备了含稀土的低碳硬质合金。用扫描电镜与能谱仪对合金的烧结体表面进行了观察与分析。结果表明,在真空烧结过程中,合金中的稀土La、Ce发生分离,Ce向合金表面迁移,并在合金烧结体表面产生了明显的富集,形成含氧的稀土第三相。本文从热力学方面对这一现象进行了解释。     

微量钴对无金属粘结相WC硬质合金烧结致密化与WC晶粒生长行为的影响

采用Cr3C2、VC掺杂超细WC为原料和无压真空烧结工艺,通过合金微观组织结构的观察与分析,研究了添加质量分数为0.3%的Co对无金属粘结相WC硬质合金烧结致密化与WC晶粒生长行为的影响。结果表明,微量Co的存在加速了WC的烧结致密化过程,与此同时也导致了WC晶粒明显的各向异性非连续晶粒长大。在上述研究基础上,提出了一种无金属粘结相WC硬质合金的低成本制备工艺,探讨了超细硬质合金中WC晶粒生长机制,提出了超细硬质合金的质量改进建议。     

氮代钽硬质合金的制备与性能研究

采用特殊工艺进行了硬质合金材料原料粉体的氮化处理,并对粉体的氮化效果进行了XRD、XPS和SEM分析,阐述了粉体的氮化机理与过程。采用该氮化粉体进行了硬质合金刀片的烧结,并对烧结后的刀片断口形貌、相关物理、力学性能进行了分析。结果表明:采用此氮化工艺烧结的硬质合金材料能达到或超过添加Ta C的硬质合金材料性能,这在一定程度上实现了硬质合金中氮对钽元素的替代。     

Cu–Sn–Ti金属结合剂的制备及形成机理的研究

以铜、钛等为原料,采用真空热压法制备Cu–Sn–Ti金属结合剂。烧结工艺参数:烧结气氛,真空;烧结温度,640℃;烧结压力,23kN/mm2;保温时间,6min。利用Inspect S50扫描电子显微镜对其微观结构进行表征。实验结果表明:Cu-Sn-Ti金属结合剂中形成了以钛为中心、Cu-Sn相为壳的核/壳结构,即Ti/Ti-Cu/Ti-Cu-Sn/Cu-Sn的微观结构。最后,结合烧结工艺参数、原子特性、热力学分析等,对这种微观结构的形成机理进行了阐述。     

SPS技术的进展及其在硬质合金制备中的应用

介绍了放电等离子烧结SPS技术的原理、特征、工艺影响因素及发展,并使用放电等离子烧结制备了WC-Co和TiCN系硬质合金,展望了放电等离子烧结在硬质合金制备中的应用。