硬质合金及耐磨涂层：理论设计及产品开发(Ⅱ)

本文阐述了集成计算材料工程在梯度硬质合金、超细硬质合金、金属间化合物硬质合金、Ti(C,N)基金属陶瓷四类多元硬质合金中的应用。借助热力学计算缩小硬质合金的成分范围,以实现有利相的析出或不利相的抑制。通过热力学计算和动力学模拟调整烧结温度、时间等工艺参数,以实现功能结构的定制或缺陷组织的规避。这四个研发案例的主要特点在于有效结合计算模拟及关键实验以优化硬质合金的成分-工艺设计,准确描述各合金制备过程中的烧结行为及冶金反应,从而实现其微观结构的精准调控,为相关牌号综合性能的显著提升奠定理论基础。     

以高熵合金作为黏结相的WC基硬质合金的研究进展

WC-Co硬质合金在制造业中应用广泛,高性能、低成本黏结相的选择和设计是当前硬质合金黏结相替代领域的难点和热点。高熵合金（HEA）作为黏结相可细化WC晶粒,提高硬质合金的硬度、断裂韧性、耐腐蚀性和抗氧化性。本文分别从HEA黏结相成分设计、WC-HEA制备技术、微观组织结构、综合性能等方面概述WC-HEA硬质合金的研究进展,阐述了该领域所面临的烧结特性差、易产生相变等问题。以期为HEA作黏结相的强韧化机理的探讨、WC-HEA复合材料的组织-力学性能间构效关系的揭示提供参考。     

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。     

再结晶温度对Cr20Mn10Fe30Co30Ni10高熵合金组织及性能的影响

将Cr₂₀Mn₁₀Fe₃₀Co₃₀Ni₁₀高熵合金均匀化、室温冷轧后,研究再结晶温度对其组织和性能的影响。结果表明：轧制态的合金相结构为FCC+HCP两相结构,900℃以下回复再结晶处理后,仍保留大量HCP相,随着再结晶温度的升高,HCP相逐渐减少,部分晶粒开始发生回复再结晶,强度降低;当温度达到900℃时,已经发生完全回复再结晶,HCP相消失,生成细小多边形等轴晶粒,塑性大幅提升。采用600℃中温回复再结晶可以获得异质组织结构,从而实现Cr₂₀Mn₁₀Fe₃₀Co₃₀Ni₁₀高熵合金良好强韧性匹配。     

烧结温度对WC-Co-Ti3SiC2硬质合金微观组织与力学性能的影响

以掺杂3.0%Ti₃SiC₂(质量分数)的WC-Co-Ti₃SiC₂硬质合金为对象,研究了烧结温度(1350～1470℃)对WC-Co-Ti₃SiC₂硬质合金中的Ti₃SiC₂分解产物和比例、微观组织及力学性能的影响规律与机制。结果表明：烧结温度的升高促进了WC-Co-Ti₃Si C₂硬质合金中Ti₃Si C₂的分解以及(W,Ti)C和WSi₂相的生成,同时导致WC晶粒尺寸逐渐增大。硬质合金的硬度随烧结温度的升高呈现出先增大后降低的趋势,而断裂韧性则逐渐下降。当烧结温度为1410℃时,WC-Co-Ti₃Si C₂硬质合金的致密性最佳(孔隙率仅为0.47%),其力学性能也较为优异,硬度与断裂韧性分别为20 348.328 MPa和10.15 MPa·m^1...     

W-CoCrNi合金的烧结致密化及其组织与性能

本文采用粉末冶金技术制备以Co Cr Ni中熵合金为黏结相的W-Co Cr Ni高密度钨合金,研究黏结相含量和烧结温度(1300～1500℃)对合金显微组织和力学性能的影响。结果表明：烧结态合金组织由W相、Co Cr Ni相、Co₇W₆相和亚微米富Cr颗粒组成。随着烧结温度的升高,合金致密度随之升高。合金在1500℃以下烧结时,致密化机制主要为固相烧结机制,固相烧结驱动力主要来自于表面能的降低和Co₇W₆新相的形成。当烧结温度达1500℃时,合金致密化机制主要为液相烧结机制,致密化过程包含W向Co Cr Ni熔体中的溶解和扩散、Co₇W₆相析出和钨颗粒球化三个阶段。1500℃烧结温度下制备的75W-Co Cr Ni和95W-Co Cr Ni合金的压缩屈服强度分别为1060 MPa和1602 MPa,75W-Co Cr Ni合金在压缩应变超过50%时仍未断裂。随着Co Cr Ni黏结相含量的增加,合金致密度随之升高,压缩变形能力增加,但压缩屈服强度降低。     

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.     

晶粒生长抑制剂在WC-Ni硬质合金粘结相中固溶度的实验研究

为了测定晶粒生长抑制剂在WC-Ni硬质合金粘结相中的饱和固溶度,为硬质合金热力学数据库的建立及其性能的优化提供必要依据,本文基于相图热力学计算,设计并制备了含晶粒生长抑制剂且粘结相含量高的WC-Ni合金试样。通过控制合金碳势使得合金试样中分别出现石墨相和相。利用LOM、BSE对合金试样的微观结构进行了分析。采用WDS-EPMA测定了硬质合金常用晶粒抑制剂Cr_3C_2、VC、Ta C、NbC及其复合物在WC-Ni合金试样粘结相中的饱和固溶度。结果表明,单独添加Cr_3C_2、VC、Ta C时,碳势对Cr、V、Ta、W的固溶度影响较大;单独添加NbC以及复合添加碳化物时,碳势对各元素的固溶度影响并不大。     

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。     

相图在硬质合金成分与工艺设计中的应用

介绍了 C- Co- W系相图在硬质合金表面钴梯度材料研究中的应用和在渗碳合金脱碳处理中的应用 ,C- Cr- Ni系相图在制定合金烧结工艺中的应用 ,WC- Ti C- Zr C系相图在高硬度硬质合金成分设计中的应用以及 C- Co- Fe- Ni- W系相图在制定合金热处理工艺中的应用 ,同时还介绍了一种合金相图查找方法。     

以多组元黏结相制备WC基硬质合金的研究进展

利用多组元合金替代Co作黏结相可以提高硬质合金综合性能。本文从黏结相成分、合金组织与性能等方面较系统的综述了近年来利用多组元合金作黏结相制备WC基硬质合金的研究进展。分析了多组元合金替代后黏结相的相变行为，以及WC/多组元合金界面对硬质合金力学性能的影响，提出其影响机理为位错滑移条件的改变。     

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。     

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。     

AuCu3-亚格子系统的合金基因Gibbs能配分函数和平衡全息网络相图（英文）

以AuCu3-亚格子系统为例,介绍3项发现:第一,迄今阻碍金属材料科学进步的第三大障碍是研究者们习惯用平衡均匀转变的思维方式认识温度极其缓慢变化的合金相变实验现象,然后以实验现象的错误认识为选择信息,建立Gibbs能函数和所谓的"平衡相图";第二,AuCu3-型亚格子系统的平衡全息网络相图可用来描述与成分和温度有关的合金基因排列结构和各种热力学性质的系统相关性;第三,每个合金的平衡转变都是均匀的单相转变,不是非均匀的双相转变,存在一条没有有序相和无序相共存区的单相相界线,相界线顶点成分和温度远偏离AuCu3化合物临界点的计量成分和温度。     

铸造Fe-Cr-B-Al合金相图计算及实验验证

利用相图计算软件Thermo-Calc计算并绘制了不同Al含量的Fe-10%Cr-B-x Al-C五元体系的垂直截面图,900℃平衡状态下组织中各相随Al含量的定量变化趋势图以及Fe-10%Cr-1.5%B-2%Al-0.3%C合金的平衡凝固过程图。选取了Fe-10%Cr-1.5%B-2%Al-0.3%C、Fe-10%Cr-1.5%B-4%Al-0.3%C两个成分的合金进行实验研究。利用DSC对合金的相变温度点进行检测,利用SEM-EDS、光学显微镜及XRD对不同相区的组织组成进行分析。结果表明:计算相图与实验测定结果无论是在相成分还是在相变温度上基本吻合,这也证明了Thermo-Calc计算软件中关于Fe-Cr-B-Al合金的热力学数据比较可靠,可以用来指导合金的成分及热处理工艺的设计。     

烧结工艺对La1.6Mg0.4Ni7合金相结构和电化学性能的影响

粉末烧结制备了La_1.6Mg_0.4Ni₇合金,系统研究了不同烧结工艺对合金相结构和电化学性能的影响。结果表明,合金主要由LaNi₅、LaMg₂Ni₉和La₂Ni₇相组成,其中La₂Ni₇相丰度随烧结时间的增加而增加,LaNi₅则与之相反。合金电极具有较好的循环性能(S₁₀₀≥78%)和高倍率性能(HRD₉₀₀≥83%),但最大放电容量较低,约150 mAh/g,活化性能较差。研究认为,活化性能降低与LaNi₅相的减少相关;吸氢相晶胞体积的增大,降低了合金颗粒的吸放氢体积膨胀率,这是合金循环性能较好的主要原因;合金电极的高倍率性能主要受合金表面电化学反应速率的影响。     

热处理对Y2O3掺杂WC-Co硬质合金显微组织及性能的影响

采用固液掺杂法和放电等离子烧结制备了WC-Co-Y₂O₃硬质合金，随后对其进行了不同温度的退火处理。采用光学显微镜、X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)和维氏硬度计等研究了热处理前后WC-Co-Y₂O₃硬质合金的显微组织和力学性能。结果表明：氧化钇的加入可以细化WC-Co-Y₂O₃合金中的WC晶粒，提高了合金的维氏硬度和断裂韧性；随着退火温度的升高，WC-Co-Y₂O₃合金的维氏硬度逐渐降低，断裂韧性先升高后降低；WC-Co-Y₂O₃合金在500℃退火时拥有最佳的综合性能，维氏硬度为(1377±15) HV30,断裂韧性为(13.0±0.4) MPa·m^1/2。     

Al-Ca-Fe合金中Al10CaFe2化合物的形成与表征(英文)

采用热力学计算和实验技术研究铝角的Al-Ca-Fe体系相图,包括液相面投影图和凝固反应。结果表明,与铝固溶体(Al)平衡的不是Al₃Fe相,而是一种组成符合化学式Al₁₀CaFe₂的三元化合物。通过包晶转变L+Al₃Fe→(Al)+Al₁₀CaFe₂(638℃,3.3%Ca和0.5%Fe,摩尔分数)发生从二元化合物到三元化合物的转变。与针状Al₃Fe相夹杂物不同,三元化合物的初晶和共晶具有致密的形貌。使用第一性原理计算和X射线衍射分析确定三元化合物Al₁₀CaFe₂的晶格结构。此外,近共晶合金Al-6%Ca-1%Fe(质量分数)在500～600℃退火后具有细晶组织,过量相的总体积分数约为25%。因此,Al-Ca-Fe体系可用于制造新的铝基复合合金。     

低Nb含量的CoCrFeNiNbx合金退火后的组织演变和性能

在FCC型CoCrFeNi合金中添加少量Nb可起到固溶强化和第二相强化效果,但目前对Nb在FCC相中的溶解度及其对合金组织和性能的影响还不够了解。为此,本文基于热力学计算相图,实验研究了含1%～5%Nb(摩尔分数)的铸态CoCrFeNiNb_x合金在800～1200℃真空退火前后的显微组织和显微硬度。结果表明：即使添加1%Nb,铸态CoCrFeNiNb_x合金中仍存在约3%的FCC+C14共晶组织。后凝固的FCC相中Nb含量可高达2.4%～3.1%,在800℃退火后可析出针状纳米级Mg₃Cd型τ相,使合金硬度提高约30HV。经1000℃或1200℃退火后,FCC相的成分均匀,Nb含量分别为1.6%和3.1%,与热力学计算结果一致。退火后,共晶组织中的C14 Laves相球化长大,层片组织消失,合金硬度降低。因此,添加少于3.1%Nb后再进行固溶及时效处理以析出τ相是提高FCC型CoCrFeNi合金强度的有效途径。