Ti(C,N)基金属陶瓷相图热力学及“芯-环”结构控制机理的研究

Ti(C,N)-based cermets have shown apparent superiorities in cutting tools due to its low cost and excellent cutting performance. The properties of materials are largely dominated by its microstructure, and the knowledge of thermodynamic data for materials is the basis of quantitative description of microstructure, as well as the key of process parameter optimization and materials design. However, the systematic thermodynamic database for multi-component Ti(C,N)-based cermets is still lacking, which result in the limitation on microstructure control. The present research project focuses on the following aspects in Ti(C,N)-Mo-Ta-Ni multi-component system: (1) Establish accurate thermodynamic database for this system through the coupling of key experiments, phase diagram thermodynamics and first-principles calculations; (2) Design model alloys, with industrial application background, based on thermodynamic calculations in order to obtain the phase equilibria as well as validate and refine the established thermodynamic database; (3) Investigate the effect of different alloy compositions and process parameters on the "core-rim" structure of Ti(C,N)-Mo-Ta-Ni cermet via thermodynamic calculations and microstructure characterizations, and extract the mechanisms for the control of "core-rim" structure. The completion of this project is expected to lay a basis of theoretical importance for the design and development of Ti(C,N)-Mo-Ta-Ni cermet.

Ti(C,N)基金属陶瓷因价格低廉、切削性能优异，使其在切削工具中展现出较为明显的优势。材料的性能很大程度上取决于其组织结构，掌握热力学信息是对组织结构定量描述的必备条件，也是工艺参数优化和合金设计的关键。当前国际上缺乏系统的多组元Ti(C,N)基金属陶瓷热力学数据库，这使得其微结构控制受到很大限制。本项目拟以Ti(C,N)-Mo-Ta-Ni多元系为研究对象，开展以下工作：（1）耦合关键实验、相图热力学和第一性原理计算，获得该体系准确的热力学数据库；（2）基于热力学计算，设计具有工业应用背景的关键模型合金并实测其相平衡信息，验证并完善所建立的热力学数据库；（3）结合热力学计算和微结构实验表征，研究成分和工艺参数对Ti(C,N)-Mo-Ta-Ni金属陶瓷“芯-环”结构的影响，掌握“芯-环”结构的控制机理。本项目的完成可望为Ti(C,N)-Mo-Ta-Ni金属陶瓷的开发设计奠定重要的理论基础。

项目执行期间，通过关键实验、相图热力学计算和第一性原理计算的耦合，对Ti(C,N)基金属陶瓷热力学数据库中待完善体系开展了热力学描述，从而构建了初步的Ti(C,N)基金属陶瓷热力学数据库。基于该数据库的热力学计算，设计合理的金属陶瓷模型合金并测定其相平衡信息，结合实验测定结果以及文献中报道的多组元体系相平衡关系，对所建立的Ti(C,N)基金属陶瓷热力学数据库进行验证并完善。在热力学计算的指导下设计关键实验，研究合金成分和工艺参数对Ti(C,N)基金属陶瓷“芯-环”结构的影响。结合热力学计算和微结构实验表征研究烧结后Ti(C,N)基金属陶瓷的粘结相和环形相成分以及硬质相显微形貌，揭示了Ti(C,N)基金属陶瓷“芯-环”组织结构的控制机理。在本项目和CSC的共同资助下，项目负责人于2020年1月至9月在德国亚琛工业大学开展访问学术交流。本项目获得了一套能精准描述Ti(C,N)基金属陶瓷的相图热力学数据库，利用该数据库能够计算Ti(C,N)基金属陶瓷的相组成、显微组织等信息。结合实验和热/动力学计算，掌握了Ti(C,N)基金属陶瓷组织结构的控制机理，能够为工业合金设计提供指导。在本项目的资助下，已发表SCI期刊论文8篇（其中2篇TOP期刊在该领域具有重要影响），申请国家发明专利2项。共计培养硕士研究生4名、博士研究生2名，提升了研究生在国际刊物上发表高水平研究论文及独立从事创新性研究的能力。