ICME guided study of mass transport in production and application of cemented carbides

Abstract

Hårdmetaller är metalliska kompositer som består av en hård fas, oftast WC, och ett segt bindemedel, vanligtvis Co-baserat, framställt genom pulvermetal- lurgi och sintring. Hårdmetaller är en väsentlig del av de flesta produktions- processer. Emellertid är Co-pulver klassificerat som ett cancerframkallande material med allvarliga hälsorisker, och de flesta jungfruliga Co-reservoarer finns i konfliktområden. Dessutom finns det monopol på marknaden för ren volfram. Därför skulle en minskning av förbrukningen av kobolt eller att ersät- ta den med andra ofarliga ämnen öka hållbarheten i produktionen av hårdme- tall. Dessutom kan framsteg inom produktionsteknik hjälpa till att övervin- na råvarubegränsningar. Ett sådant framsteg är “icke-homogena” strukturer och beräkiningsverktyg för optimering av produktmikrostruktur som är äm- net för denna avhandling. “Integrated Computational Materials Engineering (ICME)” och dess komplementärar verktyg, beräkning av fasdiagram (CALP- HAD) och ab-initio modellering, är verktyg som överbryggar experiment och modellering. Med hjälp av dessa verktyg föreslås och testas ett ramverk för materialdesign av icke-homogena hårdmetaller i denna avhandling.

Arbetsflödet för materialdesign av icke-homogen mikrostruktur och egen- skaper studerades påolika längdskalor. Atomistisk modellering med densitets- funktionsteori (DFT), ab-initio molekylär dynamik (AIMD) och generaliserad hydrodynamik (GHD) användes för att modellera viskositeten hos flytande Co-bindemedel. Rörligheten för Ti och Fe i oordnad BCC TiFe utvärderades med hjälp av nya experimentella data som samlats in från diffusionsparexpe- rimentet och EPMA-analys. Dessa två studier syftade till att komplettera de data som är nödvändiga för att studera hårdmetalls bearbetning och prestan- da. Bildandet av gradientzonen och γ-konstrukturen modellerades och utvär- derades experimentellt. En fenomenologisk modell för flytande fasmigrering (“ Liquid Phase Migration”, LPM) skapades och implementerades med hjälp av homogeniseringsmetoden. LPM-processen studerades experimentellt och mo- dellerades med YAPFI-mjukvaran. En studie av dessa processer var nödvän- dig för att koppla samman bearbetning och mikrostruktur. På prestandasidan studerades kemisk interaktion mellan skärverktyg och Ti-legeringar i detalj genom experiment och diffusionsmodellering. Dessutom användes hårdhets- och seghetsmodeller för att förutsäga hårdmetallers prestanda. Slutligen, med tillämpning av ICME och materialdesign, designades, producerades och tes- tades ett alternativt bindemedel med bestående av högentropilegering. ICME och CALPHAD genomsyrade hela forskningsprojekted. Studierna på olika längdskalor hjälpte till att bättre förstå bearbetning, mikrostruktur, egenska- per och prestanda hos hårdmetaller. Dessutom har nya verktyg och metoder utvecklats för att fylla luckorna i materialdesignens arbetsflöde för hårdme- taller.

Hårdmetaller är metalliska kompositer som består av en hård fas, oftast WC, och ett segt bindemedel, vanligtvis Co-baserat, framställt genom pulvermetal- lurgi och sintring. Hårdmetaller är en väsentlig del av de flesta produktions- processer. Emellertid är Co-pulver klassificerat som ett cancerframkallande material med allvarliga hälsorisker, och de flesta jungfruliga Co-reservoarer finns i konfliktområden. Dessutom finns det monopol på marknaden för ren volfram. Därför skulle en minskning av förbrukningen av kobolt eller att ersät- ta den med andra ofarliga ämnen öka hållbarheten i produktionen av hårdme- tall. Dessutom kan framsteg inom produktionsteknik hjälpa till att övervin- na råvarubegränsningar. Ett sådant framsteg är “icke-homogena” strukturer och beräkiningsverktyg för optimering av produktmikrostruktur som är äm- net för denna avhandling. “Integrated Computational Materials Engineering (ICME)” och dess komplementärar verktyg, beräkning av fasdiagram (CALP- HAD) och ab-initio modellering, är verktyg som överbryggar experiment och modellering. Med hjälp av dessa verktyg föreslås och testas ett ramverk för materialdesign av icke-homogena hårdmetaller i denna avhandling.

Arbetsflödet för materialdesign av icke-homogen mikrostruktur och egen- skaper studerades påolika längdskalor. Atomistisk modellering med densitets- funktionsteori (DFT), ab-initio molekylär dynamik (AIMD) och generaliserad hydrodynamik (GHD) användes för att modellera viskositeten hos flytande Co-bindemedel. Rörligheten för Ti och Fe i oordnad BCC TiFe utvärderades med hjälp av nya experimentella data som samlats in från diffusionsparexpe- rimentet och EPMA-analys. Dessa två studier syftade till att komplettera de data som är nödvändiga för att studera hårdmetalls bearbetning och prestan- da. Bildandet av gradientzonen och γ-konstrukturen modellerades och utvär- derades experimentellt. En fenomenologisk modell för flytande fasmigrering (“ Liquid Phase Migration”, LPM) skapades och implementerades med hjälp av homogeniseringsmetoden. LPM-processen studerades experimentellt och mo- dellerades med YAPFI-mjukvaran. En studie av dessa processer var nödvän- dig för att koppla samman bearbetning och mikrostruktur. På prestandasidan studerades kemisk interaktion mellan skärverktyg och Ti-legeringar i detalj genom experiment och diffusionsmodellering. Dessutom användes hårdhets- och seghetsmodeller för att förutsäga hårdmetallers prestanda. Slutligen, med tillämpning av ICME och materialdesign, designades, producerades och tes- tades ett alternativt bindemedel med bestående av högentropilegering. ICME och CALPHAD genomsyrade hela forskningsprojekted. Studierna på olika längdskalor hjälpte till att bättre förstå bearbetning, mikrostruktur, egenska- per och prestanda hos hårdmetaller. Dessutom har nya verktyg och metoder utvecklats för att fylla luckorna i materialdesignens arbetsflöde för hårdme- taller.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-320106