基于复合碳化合物失稳分解的梯度硬质合金的理论设计及实验研究

Graded cemented carbides endow the surface and core with different functions, which can increase the performance and extend the service life. As reported, the complex carbides spinodal decomposition can improve the hardness and high-temperature performance of the cemented carbides. However, their manufacture processes involve complex thermodynamics and kinetics phenomena. In order to design the new type of graded cemented carbides, it is critical to understand the influence of the addition of complex carbides on the microstructure, composition and property distribution of the graded layer. Choosing W-Co-Ti-Zr-Hf-C-N multicomponent system, this project is tend to: 1) develop the thermodynamic and kinetic databases through a combination of first-principle calculations, CALPHAD approach and semi-empirical equations; 2) design the key experiments based on the thermodynamic and kinetic calculations to study the microstructure evaluation and formation mechanism during the complex carbides spinodal decomposition; 3) establish the continuous relationship among the composition, microstructure and hardness in the graded layer according to the thermodynamic, kinetic, hardness model and key experiments, which can be used to control the microstructure and mechanical property of the graded surface layer efficiently. The completion of this project is expected to lay a basis of theoretical importance for the design of graded cemented carbides with addition of complex carbides, and provide a new method for the design of other cemented carbides by coupling material design and preparation.

梯度硬质合金可赋予材料表面和芯部以不同的功能，并大幅提高其使用性能并延长使用寿命。复合碳化物的失稳分解可提高合金的硬度和高温性能，但其制备过程涉及复杂的热力学和动力学现象。揭示并掌握多元复合碳化物的添加对梯度层微结构、成分及性能分布的影响是设计新型功能梯度硬质合金的关键。本项目拟以W-Co-Ti-Zr-Hf-C-N七元系为研究对象开展如下研究：1）结合第一性原理计算、相图计算及半经验公式建立和完善该体系的热、动力学数据库；2）基于数据库模拟设计关键实验，分析碳化物失稳分解时硬质合金梯度层结构的演变规律及内在机理；3）基于热动力学计算、硬度模型和关键实验，建立梯度层微观区域内成分、微结构和硬度性能连续性的相互关系，高效地对表面梯度层显微结构和力学性能进行调控。项目的完成可为高性能复合碳化物梯度硬质合金的设计开发奠定理论基础，并为耦合材料设计与制备来研发其它硬质合金材料提供了新思路。

项目通过计算模拟（第一性原理计算、相图热力学计算、扩散动力学模拟）和关键实验（梯度硬质合金制备、显微结构分析及力学性能测试手段）的系统集成，对复合碳化物失稳分解对梯度硬质合金的成分、组织和性能开展了如下工作：1）结合第一性原理计算、相图计算及半经验公式建立和完善了W-Co-Ti-Zr-Hf-C-N七元体系的热力学和动力学数据库；2）通过调节烧结气氛的组成制取各种不同功能的梯度结构硬质合金，掌握了WC-Ti(C, N)-Co梯度硬质合金梯度层的显微结构和元素分布随烧结氮气压变化的演变规律；3）基于数据库模拟设计关键实验，系统研究了TiC–ZrC和TiC–ZrC–HfC体系复合碳化物失稳分解对硬质合金梯度结构演化和力学性能的影响，建立梯度层微观区域内成分、微结构和硬度性能连续性的相互关系；4）构建了WC-Co-立方相三相硬质合金的硬度模型。提出了一种基于硬质合金热、动力学数据库计算硬质合金显微结构参数的方法，仅需要硬质合金的初始成分和碳化物的晶粒尺寸即可预测三相硬质合金的硬度。基于本模型和提出的计算方法，计算了一系列梯度硬质合金的硬度，计算结果能够很好地吻合实验数据。. 以上研究工作的完成可为高性能复合碳化物梯度硬质合金的设计开发奠定理论基础，并为耦合材料设计与制备来研发其它硬质合金材料提供了新思路。在国际外刊物上发表本项目资助号SCI论文9篇，授权专利1项，14人次参加学术会议，培养硕士研究生3名，圆满完成了计划书的预期成果考核指标要求。