張　聰，張偉彬，彭英彪，陳偉民，周　鵬，陳　利，張利軍，劉樹紅，杜　勇，王社權(quán)

(1.中南大學(xué) 粉末冶金國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410083)(2.中德微結(jié)構(gòu)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙410083)(3.株洲鉆石切削刀具股份有限公司，湖南 株洲412007)

硬質(zhì)合金相圖熱力學(xué)和擴(kuò)散動力學(xué)數(shù)據(jù)庫及其應(yīng)用

張聰1,2，張偉彬1,2，彭英彪1,2，陳偉民1,2，周鵬1,2，陳利1,2，張利軍1,2，劉樹紅1,2，杜勇1,2，王社權(quán)3

(1.中南大學(xué) 粉末冶金國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410083)(2.中德微結(jié)構(gòu)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙410083)(3.株洲鉆石切削刀具股份有限公司，湖南 株洲412007)

摘要：硬質(zhì)合金是由難熔金屬化合物和粘結(jié)相通過粉末冶金工藝制成的材料，它具有硬度高、耐磨、強(qiáng)度和韌性好、耐熱、耐腐蝕等一系列優(yōu)良性能。介紹了包含C-Co-Cr-W-Ta-Ti-Nb-N等元素的硬質(zhì)合金熱力學(xué)和動力學(xué)數(shù)據(jù)庫。簡述了熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫中的熱力學(xué)模型和優(yōu)化計(jì)算，并以C-Cr-Ta三元系為例介紹了熱力學(xué)優(yōu)化計(jì)算的方法和步驟。所建立的硬質(zhì)合金動力學(xué)數(shù)據(jù)庫包含液相和fcc相不同元素的原子遷移參數(shù)。利用修正的Sutherland方程對液相的原子遷移參數(shù)進(jìn)行了評估，而fcc相原子遷移參數(shù)是基于對實(shí)驗(yàn)測定數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)數(shù)據(jù)的評估獲得的。利用建立的硬質(zhì)合金熱力學(xué)和動力學(xué)數(shù)據(jù)庫，可以計(jì)算多元系的相平衡、獲取不同相的熱力學(xué)性質(zhì)和溶解度信息、模擬合金中元素和相的分布等。該數(shù)據(jù)庫可用于設(shè)計(jì)合金成分和燒結(jié)溫度、預(yù)測元素含量及燒結(jié)氣氛等對梯度硬質(zhì)合金形成的影響、優(yōu)化合金燒結(jié)工藝等。最后指出相圖熱力學(xué)和擴(kuò)散動力學(xué)數(shù)據(jù)庫及熱物性數(shù)據(jù)庫結(jié)合相場、有限元方法，定量描述硬質(zhì)合金結(jié)構(gòu)-性能的關(guān)系是今后的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：硬質(zhì)合金；熱力學(xué)；動力學(xué)；數(shù)據(jù)庫；計(jì)算模擬；應(yīng)用

Thermodynamic and Diffusion Databases for MulticomponentCemented Carbides and Their Applications

1前言

硬質(zhì)合金是一種以難熔金屬化合物(WC，TiC，TaC和NbC等)為基體，以過渡族金屬(Co，Ni，F(xiàn)e)為粘結(jié)相，通過粉末冶金方法制備的材料[1]。硬質(zhì)合金具有硬度高、耐磨、強(qiáng)度和韌性好、耐熱、耐腐蝕等一系列優(yōu)良性能，被譽(yù)為“工業(yè)的牙齒”，廣泛地用于制造刀具、鉆具、耐磨零件等。硬質(zhì)合金的典型顯微結(jié)構(gòu)為硬質(zhì)相WC和粘結(jié)相Co，添加含Ta，Ti，Nb的碳化物或碳氮化物至硬質(zhì)合金基體中可以提高其抵抗塑性變形的能力；添加少量的Cr3C2、VC等添加劑可以抑制硬質(zhì)合金在燒結(jié)過程中的晶粒長大[2]，起到細(xì)化晶粒、提高綜合力學(xué)性能的效果。

硬質(zhì)合金的工業(yè)生產(chǎn)涉及復(fù)雜的熱力學(xué)和動力學(xué)過程。迄今為止，國內(nèi)外學(xué)者對硬質(zhì)合金燒結(jié)過程中的組織結(jié)構(gòu)演變及形成機(jī)理做了大量的研究工作[3-8]。瑞典是研發(fā)硬質(zhì)合金的強(qiáng)國，瑞典的Sandvik公司和瑞典皇家工學(xué)院聯(lián)合在硬質(zhì)合金體系的熱力學(xué)計(jì)算和動力學(xué)模擬方面做了大量的研究工作[3-6, 9]，這些研究成果為硬質(zhì)合金材料的設(shè)計(jì)奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)。實(shí)踐表明：通過試錯法或憑借經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行材料研發(fā)非常耗時耗力，而熱力學(xué)和動力學(xué)計(jì)算模擬在新材料研發(fā)以及工藝參數(shù)的合理選擇方面發(fā)揮了重要的指導(dǎo)作用。Sandvik公司能夠在激烈的國際競爭中牢牢占據(jù)硬質(zhì)合金國際領(lǐng)先水平與其高度重視硬質(zhì)合金熱力學(xué)和動力學(xué)數(shù)據(jù)庫研發(fā)密切相關(guān)。

利用CALPHAD方法[10]可以建立多組元硬質(zhì)合金熱力學(xué)和動力學(xué)數(shù)據(jù)庫。Sandvik公司建立的硬質(zhì)合金熱力學(xué)和動力學(xué)數(shù)據(jù)庫包含C-Co-W-Ta-Ti-Nb-N等元素[9]。由于Sandvik公司的技術(shù)壟斷，系統(tǒng)的熱力學(xué)和動力學(xué)數(shù)據(jù)庫并未公開發(fā)表且高度保密。Thermo-Calc公司建立的硬質(zhì)合金數(shù)據(jù)庫CCC1[11]僅包含6個合金元素C-Co-Nb-Ta-Ti-W，因而在使用上具有較大的局限性。為了設(shè)計(jì)出具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的新型硬質(zhì)合金牌號，開發(fā)國產(chǎn)的硬質(zhì)合金熱力學(xué)和動力學(xué)數(shù)據(jù)庫具有重要的意義，我們通過近6年的研發(fā)，建立了多組元硬質(zhì)合金熱力學(xué)和動力學(xué)數(shù)據(jù)庫[12-13]。該數(shù)據(jù)庫的計(jì)算模擬結(jié)果與相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符，具備高的精準(zhǔn)度且擁有廣泛的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。

本文首先對硬質(zhì)合金熱力學(xué)和動力學(xué)數(shù)據(jù)庫的建立進(jìn)行概述，并分別介紹了熱力學(xué)參數(shù)和原子遷移參數(shù)的評估方法。隨后展示基于硬質(zhì)合金熱/動力學(xué)數(shù)據(jù)庫相關(guān)的計(jì)算模擬及應(yīng)用實(shí)例，進(jìn)一步證明數(shù)據(jù)庫在硬質(zhì)合金生產(chǎn)實(shí)際中的重要作用。最后指出相圖熱力學(xué)和擴(kuò)散動力學(xué)數(shù)據(jù)庫及熱物性數(shù)據(jù)庫結(jié)合相場、有限元方法，定量描述硬質(zhì)合金結(jié)構(gòu)-性能的關(guān)系是今后的發(fā)展趨勢。

2硬質(zhì)合金熱力學(xué)和動力學(xué)數(shù)據(jù)庫的建立

2.1熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫的建立

作者課題組所建立的硬質(zhì)合金熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫包含的元素主要有C-Co-Cr-W-Ta-Ti-Nb-N，涵蓋了28個二元系和56個三元系完整的熱力學(xué)描述。純組元、二元系和三元系是建立熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)，精準(zhǔn)可靠的二元系和三元系熱力學(xué)參數(shù)可外推描述多元系的相平衡[10]。數(shù)據(jù)庫中純組元的參數(shù)取自歐洲熱數(shù)據(jù)科學(xué)組織的純組元熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫[14]。對于二元系的描述，C-N體系由純組元數(shù)據(jù)外推得到；Cr-Nb體系由彭英彪等人[12]在原有評估[15]的基礎(chǔ)上重新評估所得，其結(jié)果與最新的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符；余下26個二元系的熱力學(xué)參數(shù)取自相關(guān)參考文獻(xiàn)[12]。

確定純組元和二元系熱力學(xué)參數(shù)后，可將56個三元系添加到數(shù)據(jù)庫中，其中C-Co-Cr、C-Co-Ta、C-Co-Ti、C-Co-Nb、C-Cr-Ta、C-Cr-Nb、C-W-Ta、C-Ta-Ti、C-Ta-Nb、C-Ti-Nb、Co-Cr-W和Co-Cr-Ti等12個三元系的熱力學(xué)參數(shù)是由彭英彪[12, 16]、沙春生[17]、周鵬[18]等人評估優(yōu)化獲得的；C-Co-W[19]、C-Cr-Ti[20]、C-W-Ti[21]、C-W-Nb[22]、C-Ta-N[23]、C-Ti-N[24]、C-Nb-N[25]和Co-Ta-Nb[26]等8個三元系的熱力學(xué)參數(shù)取自參考文獻(xiàn)；剩余36個三元系在文獻(xiàn)中無任何實(shí)驗(yàn)信息，且這些體系對硬質(zhì)合金的計(jì)算影響較小。因此，在數(shù)據(jù)庫中這些三元系的熱力學(xué)描述由低階體系外推而得。根據(jù)多元系實(shí)驗(yàn)信息及具有工業(yè)應(yīng)用價(jià)值的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，我們可對硬質(zhì)合金熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行修正與驗(yàn)證[12]。

2.1.1熱力學(xué)模型

在熱力學(xué)描述中，相(θ)的摩爾吉布斯自由能表示為式(1)：

(1)

在熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫中采用雙亞點(diǎn)陣模型[28]對固相(如fcc-A1、bcc-A2、WC等)進(jìn)行描述，其吉布斯自由能可由公式(2)表示：

(2)

式中，yM和yN表示元素M和N在相應(yīng)亞點(diǎn)陣中的點(diǎn)陣分?jǐn)?shù)，0GM:N表示化合物MaNc的吉布斯自由能，它的參考態(tài)是298 K和0.1Map下穩(wěn)定狀態(tài)的元素A和B。符號a和c表示相應(yīng)亞點(diǎn)陣的點(diǎn)陣數(shù)，對于bcc結(jié)構(gòu)，a=1，

c=3；對于fcc結(jié)構(gòu)，a=1，c=1；對于hcp結(jié)構(gòu)，a=1，c=0.5[14]。各相的熱力學(xué)模型如表1所示。

表1　硬質(zhì)合金數(shù)據(jù)庫中相的熱力學(xué)模型

2.1.2熱力學(xué)優(yōu)化

熱力學(xué)評估通過收集體系的原始文獻(xiàn)，獲取相圖和熱力學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算優(yōu)化后得到一套自洽、可合理描述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的參數(shù)。熱力學(xué)評估大致包括4個步驟[10]：(1)收集相圖和熱力學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、穩(wěn)定相(和亞穩(wěn)相)的晶體結(jié)構(gòu)、第一性原理計(jì)算值等；(2)確定相的熱力學(xué)模型：相的模型取決于其晶體結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)庫中每個相的熱力學(xué)模型必須是兼容的；(3)優(yōu)化熱力學(xué)參數(shù)：體系的熱力學(xué)參數(shù)可由Thermo-Calc軟件中的PARROT模塊[11]優(yōu)化獲得，它的工作原理是最小化實(shí)驗(yàn)值和計(jì)算值之間的誤差；(4)計(jì)算結(jié)果：優(yōu)化出一套熱力學(xué)參數(shù)后，使用這套參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，并比較計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的偏差，只有評估合理、模型兼容、計(jì)算準(zhǔn)確的參數(shù)才可加入硬質(zhì)合金熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫中。

以C-Cr-Ta[17]三元系為例介紹熱力學(xué)評估的方法和步驟。C-Cr-Ta三元系中邊際二元系C-Cr、C-Ta和Cr-Ta的熱力學(xué)描述分別取自Lee[29]、Frisk[30]和Pavlu[31]等人的工作。C-Cr-Ta三元系的1 000 ℃和1 350 ℃等溫截面相平衡關(guān)系分別由Fedorov[32]和Rassaerts[33]等人實(shí)驗(yàn)測定，其相關(guān)系是一致的。Velikanova等人[34]測定了C-Cr-Ta體系的固相反應(yīng)溫度，發(fā)現(xiàn)TaC相在高溫十分穩(wěn)定，具有較大的固溶范圍，而且TaC與(Cr)、(β-TaCr2)、(Cr7C3)都存在偽二元共晶反應(yīng)，分別為1 990 ℃的L←→(TaC)+(β-TaCr2)，1 720 ℃的L←→(TaC)+(Cr7C3)和1 683 ℃的L←→(TaC)+(Cr)。隨后Velikanova等人[35]進(jìn)一步研究了C-Cr-Ta三元系，通過EPMA測定了相平衡邊界和成分，并利用金相法研究了該體系凝固時的初晶相，實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)在1 960 ℃以上存在新的偽二元共晶反應(yīng)L←→(Ta2C)+(β-TaCr2)，不存在之前報(bào)道[34]的偽二元共晶反應(yīng)L←→(TaC)+(β-TaCr2)。Dovbenko[36]等人對C-Cr-Ta三元系的富Cr角及(Cr)+(TaC)偽二元共晶組織進(jìn)行了詳細(xì)的研究，實(shí)驗(yàn)測得偽二元共晶反應(yīng)L←→(TaC)+(Cr)的共晶溫度為1 690 ℃，共晶成分點(diǎn)介于Cr79.9Ta12.8C7.3和Cr79.5Ta11.5C9之間。

C-Cr-Ta體系中的熱力學(xué)模型與表1一致，其Laves-C14相和Laves-C15相的模型均為(Cr,Ta)2(Cr,Ta)1。根據(jù)熱力學(xué)模型和收集的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可對C-Cr-Ta體系進(jìn)行熱力學(xué)優(yōu)化，優(yōu)化利用了PARROT模塊[11]，以及結(jié)合杜勇等人提出的分步優(yōu)化方法[37]。運(yùn)用優(yōu)化得到的熱力學(xué)參數(shù)，可以計(jì)算一系列等溫截面、垂直截面、液相面投影圖等，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較，驗(yàn)證參數(shù)的準(zhǔn)確性。圖1為計(jì)算的C-Cr-Ta體系1 000 ℃等溫截面，計(jì)算結(jié)果符合Fedorov[32]等人的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。圖2為根據(jù)評估的參數(shù)所計(jì)算的Cr82Ta18-Cr75C25垂直截面與Dovbenko[36]和Rassaerts[33]等人實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較，其偽二元共晶反應(yīng)L←→(TaC)+(Cr)的區(qū)間比較狹窄，這與Dovbenko等人[36]的實(shí)驗(yàn)測定相符。

圖1　計(jì)算的C-Cr-Ta體系1 000 ℃等溫截面和Fedorov等人[32]實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較Fig.1　Calculated isothermal section at 1 000 ℃ of the C-Cr-Ta system compared with the experimental data reported by Fedorov et al[32]

圖2　計(jì)算的C-Cr-Ta體系Cr82Ta18-Cr75C25垂直截面與Dovbenko[36]和Rassaerts[33]等人實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較Fig.2　Calculated Cr82Ta18-Cr75C25 vertical section of the C-Cr-Ta system compared with the experimental data reported by Dovbenko et al.[36] and Rassaerts et al[33]

C-Cr-Ta體系的液相面投圖和零變量反應(yīng)溫度如圖3所示，從圖3中可知優(yōu)化所得的熱力學(xué)參數(shù)可以準(zhǔn)確地描述零變量平衡信息和初晶相結(jié)果[35-36]。

圖3　C-Cr-Ta體系的液相面投影圖和零變量反應(yīng)溫度Fig.3　Calculated liquidus surface of the C-Cr-Ta system together with the temperatures of invariant reactions

熱力學(xué)評估的二元系、三元系參數(shù)可加入到多組元熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫中。根據(jù)數(shù)據(jù)庫可計(jì)算C-Co-W-Me(Me=Ta，Ti和Nb)的零變量平衡信息。表2中列出了富Co的fcc相熔化溫度的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值[38]對比，計(jì)算結(jié)果表明本數(shù)據(jù)庫的準(zhǔn)確性優(yōu)于Sandvik公司的硬質(zhì)合金熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫。

表2計(jì)算的C-Co-W-Me(Me=Ta，Ti和Nb)體系中富Co的fcc相熔化溫度與Sandvik公司數(shù)據(jù)庫計(jì)算值[9]及實(shí)驗(yàn)值[38]對比

Table 2Calculated melting temperatures for the Co-rich fcc phase in the C-Co-W-Me(Me=Ta，Ti和Nb) systems compared

with Sandvik database calculations[9]and experimental data[38]

EquilibriumAlloysystemMeltingtemperature/oC[38]CalculatedresultsSandvikdatabase[9]ThisdatabaseLiquid+fcc_Co+fcc_Cubic+WC+graphiteC-Co-W-TaC-Co-W-TiC-Co-W-Nb128912891282128912831289129012871282Liquid+fcc_Co+fcc_Cubic+WC+M6CC-Co-W-TaC-Co-W-TiC-Co-W-Nb135213611360135213571345135213481345

2.2動力學(xué)數(shù)據(jù)庫的建立

多組元硬質(zhì)合金擴(kuò)散動力學(xué)數(shù)據(jù)庫包含C-Co-Cr-W-Ta-Ti-Nb-N等8個元素，此數(shù)據(jù)庫基于熱力學(xué)因子和擴(kuò)散系數(shù)所建立，熱力學(xué)因子可從熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫中提取，擴(kuò)散系數(shù)由實(shí)驗(yàn)和計(jì)算數(shù)據(jù)評估獲得。在硬質(zhì)合金液相燒結(jié)過程中，粘結(jié)相(Co)以液態(tài)形式出現(xiàn)，各元素在液相中擴(kuò)散遷移，因此液相的擴(kuò)散系數(shù)在數(shù)據(jù)庫中是必需的。在固相燒結(jié)階段，硬質(zhì)相(碳化物/碳氮化物)發(fā)生致密化，在富Co的粘結(jié)相顆粒附近，元素 Co擴(kuò)散到硬質(zhì)相表面中。由于六方相碳化鎢(WC)的擴(kuò)散系數(shù)很低[13]，因此在硬質(zhì)合金動力學(xué)數(shù)據(jù)庫中不需加入WC相的原子遷移參數(shù)。對液相擴(kuò)散參數(shù)進(jìn)行評估時，將Sutherland方程進(jìn)行了修正，所計(jì)算的液相自擴(kuò)散系數(shù)與實(shí)驗(yàn)和理論數(shù)據(jù)相吻合。對于fcc相，其擴(kuò)散系數(shù)來自對作者團(tuán)隊(duì)所做系列實(shí)驗(yàn)和對文獻(xiàn)中數(shù)據(jù)的評估。

2.2.1擴(kuò)散模型

(3)

其中，R和T分別為理想氣體常數(shù)與絕對溫度。

對于置換固溶體，考慮參考系體積固定，其互擴(kuò)散系數(shù)可由式(4)表示[39-40]：

(4)

式中，δik是Kronecker Delta函數(shù)(如果i=k，δik=1；否則δik=0)；xi、ui和Mi分別為組元i的摩爾分?jǐn)?shù)、化學(xué)勢和遷移率；第n個組元被設(shè)定為非獨(dú)立元素。

(5)

(6)

(7)

其中xi、xj、xk和xs分別為元素i、j、k和s的摩爾分?jǐn)?shù)。

Schwarzkopf等人[42]研究發(fā)現(xiàn)硬質(zhì)合金梯度層的形成是由體系的熱力學(xué)性質(zhì)和液態(tài)粘結(jié)相的擴(kuò)散遷移所控制的。由于元素N與Ta，Ti，Nb有很強(qiáng)的熱力學(xué)耦合作用，當(dāng)N向材料表面擴(kuò)散時，Ta，Ti和Nb等元素朝著相反的方向擴(kuò)散。這種熱力學(xué)耦合可以由Fick-Onsager擴(kuò)散方程中的擴(kuò)散系數(shù)矩陣Dkj來表示[7]：

(8)

由于連續(xù)基體相中存在的彌散相顆粒會阻礙擴(kuò)散通道，因此為了得到各組元在粘結(jié)相中的有效擴(kuò)散速率，可引入迷宮因子λ(f)，其中f為粘結(jié)相的體積分?jǐn)?shù)[6]。粘結(jié)相中有效擴(kuò)散系數(shù)與迷宮因子的關(guān)系可由式(9)表示：

(9)

由于缺少液相擴(kuò)散的詳細(xì)信息，在建立硬質(zhì)合金擴(kuò)散動力學(xué)數(shù)據(jù)庫時，Ekroth等人[4]假設(shè)：所有原子在液相中具有相同的原子遷移率，激活能Q取為65 000 J/mol，擴(kuò)散頻率因子取為9.24×10-7m2/s。但是這個假設(shè)并不符合現(xiàn)實(shí)情況。為了提高數(shù)據(jù)庫的準(zhǔn)確性，Garcia等人[43]通過對比實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果，認(rèn)為金屬原子(W、Co、Ti、Ta和Nb)的遷移率比較輕的非金屬原子(C和N)慢一倍。近期，陳偉民等人[44]修正了Sutherland方程用來預(yù)測溫度依賴的液相擴(kuò)散系數(shù)，其方程如式(10)和式(11)所示：

(10)

(11)

其中DBB和DAB分別為元素B和A在溶劑B中的自擴(kuò)散和雜質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)，而自擴(kuò)散和雜質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)的自遷因子和激活能可表示為式(12)~式(15)：

(12)

(13)

(14)

(15)

公式(12)~(15)中，mB為元素B的質(zhì)量，Vi、ri和μi分別為元素i的體積、原子半徑和粘度，β為滑動摩擦系數(shù)，C1和C2為常數(shù)。

本數(shù)據(jù)庫采用陳偉民等人修正后的Surtherland方程來計(jì)算液相的原子遷移參數(shù)。

2.2.2液相擴(kuò)散系數(shù)的評估

通過文獻(xiàn)搜集，可獲得理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測定Co和Ti的液相自擴(kuò)散系數(shù)。Yokoyama等人[45-46]根據(jù)Dzugutov定律，通過對過剩熵的修正，計(jì)算了Co在熔點(diǎn)附近的自擴(kuò)散系數(shù)。根據(jù)分子動力學(xué)模擬和嵌入原子方法(EAM)，Han等人[47]計(jì)算了液態(tài)Co在熔點(diǎn)附近的自擴(kuò)散系數(shù)。利用分子動力學(xué)模擬和半經(jīng)驗(yàn)勢，Yang等人[48]計(jì)算了1 495~2 827℃溫度區(qū)間內(nèi)液態(tài)Co的自擴(kuò)散系數(shù)。Iida等人[49]運(yùn)用修正的Stokes-Einstein方程結(jié)合Iida模型，預(yù)測了Co和Ti的液相自擴(kuò)散系數(shù)。Meyer[50]和Horbach等人[51]通過非共格準(zhǔn)彈性中子散射(QNS)方法測定了1 680~1 837 ℃范圍內(nèi)Ti的液相擴(kuò)散系數(shù)。對于Co的液相自擴(kuò)散系數(shù)只有理論計(jì)算的結(jié)果，并沒有實(shí)驗(yàn)測定，且基于不同方法計(jì)算的結(jié)果[45-49]存在較大的離散性。考慮到除了Han等人的計(jì)算結(jié)果[47]，其余的計(jì)算結(jié)果都自相吻合，因此可以根據(jù)這些計(jì)算結(jié)果來評估液相Co的原子遷移率。液相Ti的自擴(kuò)散系數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果[50-51]可用于評估其原子遷移率，而理論計(jì)算結(jié)果[49]則用于與評估進(jìn)行對比，驗(yàn)證評估結(jié)果的合理性。

本數(shù)據(jù)庫利用修正的Sutherland方程計(jì)算液相的擴(kuò)散系數(shù)，為了驗(yàn)證修正方程的準(zhǔn)確性，可將修正的Sutherland方程、Ekroth等人[4]建議的自擴(kuò)散系數(shù)以及DICTRA軟件優(yōu)化所得的自擴(kuò)散系數(shù)進(jìn)行對比。圖4a，b為計(jì)算所得Co和Ti的液相自擴(kuò)散系數(shù)與文獻(xiàn)數(shù)據(jù)[45-51]的對比。從圖4中可知，利用修正的Sutherland方程和DICTRA計(jì)算的擴(kuò)散系數(shù)與實(shí)驗(yàn)測定結(jié)果[45-51]相符，但Ekroth等人[4]建議的自擴(kuò)散系數(shù)則與理論計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)測定結(jié)果相差較大。因此修正的Sutherland方程可以很好地描述液相的擴(kuò)散系數(shù)，保障硬質(zhì)合金動力學(xué)數(shù)據(jù)庫的準(zhǔn)確性。

2.2.3立方相(fcc相)擴(kuò)散系數(shù)的評估

通過評估硬質(zhì)合金中fcc相的二元系、三元系所獲得的擴(kuò)散系數(shù)可拓展至多組元，從而建立動力學(xué)數(shù)據(jù)庫。硬質(zhì)合金中各元素在fcc相中的原子遷移參數(shù)是通過DICTRA軟件中的PARROT模塊[11]優(yōu)化所得，評估數(shù)據(jù)來自參考文獻(xiàn)和實(shí)驗(yàn)測定。

大多數(shù)關(guān)于自擴(kuò)散和雜質(zhì)擴(kuò)散的原子遷移參數(shù)取自參考文獻(xiàn)[52-53]。對于有充足實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的二元系(如Co-W和Co-Cr[54-57])，其原子遷移參數(shù)可根據(jù)文獻(xiàn)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行評估。多數(shù)體系的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在文獻(xiàn)中是沒有報(bào)道的，如Co-Nb、Co-Ti、Co-Ta、Co-W-Ti、Co-W-Cr、Co-W-Ta、Co-W-Nb、Co-Ti-Cr、Co-Ti-Ta、Co-Ti-Nb和Co-Ta-Nb等。通過Boltzmann-Matano方法結(jié)合擴(kuò)散偶技術(shù)測定擴(kuò)散系數(shù)可評估這些體系的原子遷移參數(shù)。圖5是計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測定[13]的Co-Nb二元系互擴(kuò)散系數(shù)。圖6是動力學(xué)模擬預(yù)測和Weeton[54]實(shí)驗(yàn)測定的Co-Cr二元系成分距離曲線，其中擴(kuò)散偶Co-22.2%Cr和Co-9.6%Cr/Co-28.06%Co(原子百分?jǐn)?shù))的均勻化退火工藝為1 360 ℃下保溫338 400 s(94 h)，擴(kuò)散偶Co/Co-28%Cr(原子百分?jǐn)?shù))的退火工藝為1 369 ℃下保溫332 100 s(約92 h)。圖7為模擬所得Co-Cr-W三元擴(kuò)散偶的擴(kuò)散路徑與實(shí)驗(yàn)值[58]的對比，擴(kuò)散偶在1 100 ℃下退火432 000 s(120 h)，計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)結(jié)論相符。

圖6　動力學(xué)模擬預(yù)測和Weeton[54]實(shí)驗(yàn)測定的Co-Cr二元系成分距離曲線Fig.6　Model predicted concentration profiles of the Co/Co-22.2% Cr, Co-9.6%Cr/Co-28.06%Cr (atom fraction) diffusion couples and Co/Co-28%Cr (atom fraction) diffusion couple, compared with the experimental data by Weeton[54]

圖7　模擬所得不同Co-Cr-W三元擴(kuò)散偶的擴(kuò)散路徑與實(shí)驗(yàn)值[58]的對比Fig.7　Simulated diffusion paths for various ternary Co-Cr-W diffusion couples, compared with the experimental data[58]

3硬質(zhì)合金熱力學(xué)和動力學(xué)數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用

通過熱力學(xué)計(jì)算可知不同相穩(wěn)定存在的溫度區(qū)間和成分范圍，同時可以計(jì)算不同燒結(jié)階段下相的含量及變化情況。通過動力學(xué)計(jì)算模擬，可以預(yù)測硬質(zhì)合金中不同元素在不同相中的擴(kuò)散速率。硬質(zhì)合金熱力學(xué)和動力學(xué)數(shù)據(jù)庫相結(jié)合，可用于設(shè)計(jì)合金成分和燒結(jié)溫度、模擬不同元素含量和不同燒結(jié)氣氛對梯度硬質(zhì)合金微結(jié)構(gòu)的影響、優(yōu)化燒結(jié)工藝等，從而指導(dǎo)硬質(zhì)合金的生產(chǎn)，縮短新型硬質(zhì)合金材料的研發(fā)周期。

為了驗(yàn)證數(shù)據(jù)庫的準(zhǔn)確性，我們設(shè)計(jì)并燒結(jié)制成了5個硬質(zhì)合金樣品，樣品的成分在表3中列出。通過SEM/EDX和EPMA來研究顯微結(jié)構(gòu)、元素及相的含量和分布等，相的體積分?jǐn)?shù)可利用軟件Image J計(jì)算獲得。

3.1設(shè)計(jì)合金成分和燒結(jié)溫度

硬質(zhì)合金中石墨(C)和M6C相的出現(xiàn)會顯著影響其性能，因此在硬質(zhì)合金產(chǎn)品的制備過程中要合理控制C含量，使燒結(jié)樣品出現(xiàn)合理的相關(guān)系。對于多組元硬質(zhì)合金，通過熱力學(xué)計(jì)算可以較為便捷地控制合金成分和燒結(jié)溫度。圖8為計(jì)算所得燒結(jié)區(qū)附近的相平衡關(guān)系，其成分為9% Co、8% Ta、15% Ti、4% Nb(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.8~8.8%，W的含量為余量。從計(jì)算結(jié)果可知燒結(jié)區(qū)的C含量非常狹窄，而相圖計(jì)算可以快速地找到合理的C含量區(qū)域。通過計(jì)算可以確定不同C含量對粘結(jié)相熔化溫度的影響，即液相燒結(jié)所需的最低溫度。隨著C含量的增多，粘結(jié)相的熔點(diǎn)逐漸降低，而WC完全溶解的溫度逐漸升高。圖8中虛線表示固定的合金成分，硬質(zhì)合金燒結(jié)工藝中的液相燒結(jié)溫度通常為1 450 ℃(A點(diǎn))，WC的溶解度隨著燒結(jié)溫度的升高而提高，如果燒結(jié)溫度過高，如1 900 ℃(B點(diǎn))，WC將完全溶解到粘結(jié)相和立方相中。由于在凝固過程中WC形核較為困難[9]，這將導(dǎo)致硬質(zhì)合金晶粒粗大，降低其使用性能，因此要避免過高的燒結(jié)溫度。通過熱力學(xué)計(jì)算，可以找到合理的成分范圍和燒結(jié)溫度。

表3　硬質(zhì)合金樣品的化學(xué)成分,w/%

圖8　計(jì)算所得燒結(jié)區(qū)附近的相平衡關(guān)系Fig.8　Calculated phase equilibria close to the sintering region of an alloy

3.2元素Ti和N的含量對硬質(zhì)合金梯度層的影響

為了提高硬質(zhì)合金切削工具的使用壽命和切削性能，提高加工效率，通常在刀具基體上涂覆硬度高、耐磨性好的金屬或非金屬化合物涂層[59-62]。但涂層材料是易脆的，且其熱膨脹系數(shù)與基體不同，容易產(chǎn)生裂紋并向內(nèi)部擴(kuò)展。為了盡量防止裂紋向基體擴(kuò)展而導(dǎo)致的材料失效，通常在硬質(zhì)合金表面添加涂層之前對其進(jìn)行梯度燒結(jié)，使合金基體表面形成缺立方相的梯度層。這種結(jié)構(gòu)既有利于涂層與基體的結(jié)合，又可在涂層中形成韌性緩沖區(qū)，從而獲得高性能的硬質(zhì)合金切削刀具材料[63]。

WC-Ti(C,N)-Co基硬質(zhì)合金表面缺立方相梯度層的形成是由擴(kuò)散控制的，其驅(qū)動力由表面和基體芯部之間元素Ti和N活度的差異所提供。根據(jù)熱力學(xué)計(jì)算，當(dāng)均勻的合金在真空氣氛下燒結(jié)時立方相會趨向于溶解到粘結(jié)相中并釋放氮?dú)猓砻婧托静恐蠳活度的差異會導(dǎo)致基體中的N向表面擴(kuò)散，由于元素Ti和N具有較強(qiáng)的熱力學(xué)耦合，N向表面擴(kuò)散的同時元素Ti向芯部擴(kuò)散。最終，合金中的元素重新分布，形成了表面缺立方相的梯度層。

在燒結(jié)過程中，元素Ti和N對硬質(zhì)合金梯度層的形成有較大的影響，張偉彬等人[64]研究了不同Ti和N含量對WC-Ti(C,N)-Co硬質(zhì)合金顯微結(jié)構(gòu)的影響，合金在真空的氣氛下燒結(jié)制成。圖9是樣品1~3在1 450 ℃真空燒結(jié)2 h后的SEM背散射顯微照片，樣品中沒有觀察到游離的石墨相和M6C相，在樣品表面處可以清晰地觀察到梯度層。結(jié)合樣品成分和其顯微結(jié)構(gòu)可發(fā)現(xiàn)隨著N含量的增加，梯度層的厚度隨之增加；隨著Ti含量的增加，梯度層厚度隨之減小。

圖9　樣品1(a)、樣品2(b)和樣品3(c)(WC-Ti(C,N)-Co合金)的SEM照片F(xiàn)ig.9　SEM micrographs of the cross section of sample 1 (a) , sample 2 (b), and sample 3 (WC-Ti(C,N)-Co alloys)

圖10是測定[64]和計(jì)算的樣品1-3在1 450 ℃真空燒結(jié)2 h后各相的含量。由圖10可知在缺立方相內(nèi)部次表層區(qū)域，立方相含量突增達(dá)到峰值形成立方相的富集區(qū)，并向合金芯部逐漸過渡到均質(zhì)合金立方相公稱含量。由于表層的Ti向合金內(nèi)部擴(kuò)散導(dǎo)致在合金表面區(qū)域形成空隙，液態(tài)粘結(jié)相便向合金表層流動填充空隙，因此形成了粘結(jié)相的梯度變化。在合金的次表層區(qū)域粘結(jié)相含量出現(xiàn)明顯的峰值，并向合金表層逐漸減少，向合金芯部驟降后逐漸過渡到合金粘結(jié)相公稱含量。WC相含量峰值出現(xiàn)在合金表面，主要是由于表層不含立方相且粘結(jié)相在表層中由內(nèi)向外逐漸減少。在合金次表層由于立方相的出現(xiàn)，WC相含量驟降達(dá)到最小值并向芯部逐漸過渡到合金WC相平均含量。

圖10　樣品1(a)、樣品2(b)和樣品3(c)(WC-Ti(C,N)-Co合金)在1 450 ℃真空燒結(jié)2 h后各相含量的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值[64]的對比Fig.10　Calculated phase fractions in sample 1 (a),sample 2 (b), and sample 3 (c) (WC-Ti(C,N)-Co alloys) after sintering for 2 h at 1 450 °C in a N-free atmosphere, compared with the experimental data[64]

圖11是模擬計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測定[64]的樣品1-3在1 450 ℃真空燒結(jié)2 h后元素Ti和Co的成分距離曲線。元素Co的成分隨距離變化非常劇烈，由表層向芯部過渡時，成分逐漸提高，在次表面層達(dá)到峰值后又驟降到最低值，并向芯部緩慢變化到合金組元的公稱含量，Co含量的最大值是芯部的1.5~2倍。元素Ti的含量和合金立方相的含量隨距離變化類似，主要由于元素Ti基本不溶解在WC相和粘結(jié)相中，而是以立方相的形式存在，因此在缺立方相的梯度層中也基本不含Ti元素。樣品1在基體芯部中的Ti含量大于樣品2，這是由于樣品1中的N含量較多，使得更多的Ti原子向芯部擴(kuò)散。結(jié)合圖9-11可知，元素Ti和N對硬質(zhì)合金梯度層的形成、相和成分含量分布有較大影響，較低的Ti含量和較高的N含量都可以使梯度層增厚。數(shù)據(jù)庫模擬計(jì)算的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值[64]符合得較好。根據(jù)數(shù)據(jù)庫的計(jì)算模擬，可以設(shè)計(jì)合金成分，獲得所需厚度的梯度層。

圖11　計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測定[64]的樣品1-3(WC-Ti(C,N)-Co合金)在1 450 ℃真空燒結(jié)2 h后元素Ti (a)和Co (b)的成分距離曲線Fig.11　Calculated elemental concentration profiles for Ti (a) and Co (b) in samples 1-3 (WC-Ti(C,N)-Co alloys) after sintering at 1450 °C for 2 h in a N-free atmosphere, along with the experimental data[64]

3.3N2分壓對硬質(zhì)合金梯度層的影響

根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)工藝，在脫氮?dú)夥障逻M(jìn)行燒結(jié)會使硬質(zhì)合金中N逸出，從而影響梯度燒結(jié)過程。通過實(shí)驗(yàn)測定和計(jì)算模擬，張偉彬等人[13]研究了低N2分壓條件對WC-Ti(C,N)-Co硬質(zhì)合金梯度層的影響。樣品4分別在0、0.1、0.2、0.3和0.4 MPa的N2分壓下于1 450 ℃燒結(jié)1h，圖12是樣品4在不同氣氛下燒結(jié)后的SEM顯微照片，通過對比可知隨著N2分壓的升高，梯度層厚度逐漸降低。

圖12　樣品4(WC-Ti(C,N)-Co合金)在1 450 ℃燒結(jié)1 h后的SEM照片，燒結(jié)氣氛中的氮?dú)鈮簭?qiáng)分別為(a)0，(b)0.1，(c)0.0，(d)0.3和(e)0.4 MPaFig.12　SEM micrographs of cross-sections of sample 4 (WC-Ti(C,N)-Co alloys) after sintering at 1 450 °C for 1 h under:(a) 0, (b) 0.1, (c) 0.2, (d) 0 .3 and (e) 0 .4 MPa nitrogen gas pressures

圖13a為實(shí)驗(yàn)測定[13]和計(jì)算所得的樣品4在不同N2壓強(qiáng)下于1 450 ℃燒結(jié)1 h后元素Ti的成分距離曲線。從圖13a中可知，隨著N2壓強(qiáng)的升高，減小了表面和芯部之間元素N活度的差異，從而降低了梯度層形成的驅(qū)動力，這將導(dǎo)致梯度層厚度逐漸減小。圖13b為元素Co的成分距離曲線，從圖13b中可以看出，較高的N2壓強(qiáng)可以抑制Co的蒸發(fā)，使元素Co在樣品表面含量增加，從而在樣品表面保留更多的Co。元素Ti含量的峰值隨著N2壓強(qiáng)的升高而降低，使得因Ti元素?cái)U(kuò)散遷移而形成的空隙減少，從而導(dǎo)致Co元素含量的峰值也隨之下降。樣品4在不同的N2壓強(qiáng)下燒結(jié)后表現(xiàn)出相似的成分分布，利用數(shù)據(jù)庫所預(yù)測的元素成分距離曲線與實(shí)驗(yàn)值[13]吻合得較好。

圖13　實(shí)驗(yàn)測定[13]和計(jì)算所得的樣品4在不同N2壓強(qiáng)下于1 450 ℃燒結(jié)1 h后元素Ti和Co的成分距離曲線Fig.13　Calculated elemental concentration profiles for Ti and Co in sample 4 (WC-Ti(C,N)-Co alloys) after sintering at 1 450 °C for 1 h under different nitrogen gas pressure, along with the experimental data[13]

圖14為樣品4在不同N2壓強(qiáng)下于1 450 ℃燒結(jié)1 h后梯度層厚度的實(shí)驗(yàn)值[13]與計(jì)算值。從圖中可看出隨著N2壓強(qiáng)的增大，梯度層厚度呈非線性減小。結(jié)合圖12-14可知，數(shù)據(jù)庫模擬計(jì)算可準(zhǔn)確預(yù)測N2壓強(qiáng)對硬質(zhì)合金梯度層地形成和成分含量分布的影響。

圖14　實(shí)驗(yàn)測定[13]和計(jì)算所得的樣品4在不同N2壓強(qiáng)下于1 450 ℃燒結(jié)1 h后缺立方相梯度層的厚度Fig.14　Comparison between the presently calculated thickness of fcc-free surface layers in sample 4 (WC-Ti(C,N)-Co alloys) after sintering at 1450 °C for 1 h under different nitrogen gas pressure with the experimental values[13]

3.4優(yōu)化硬質(zhì)合金的燒結(jié)工藝

在梯度硬質(zhì)合金的燒結(jié)階段，升溫和降溫速率會影響梯度層的形成。張偉彬等人[13]通過實(shí)驗(yàn)測定和計(jì)算模擬研究了燒結(jié)工藝對硬質(zhì)合金(WC-Ti(C,N)-TaC-Co)梯度層的影響。樣品5的燒結(jié)控溫過程如圖15所示。

圖15　樣品5(WC-Ti(C,N)-TaC-Co合金)在燒結(jié)過程中的控溫步驟示意圖Fig.15　Schematic diagram of the temperature profile for sample 5(WC-Ti(C,N)-TaC-Co alloys)

圖16為樣品5(WC-Ti(C,N)-TaC-Co合金)真空燒結(jié)后的SEM顯微照片。圖17為實(shí)驗(yàn)測定[13]和計(jì)算模擬的樣品5(WC-Ti(C,N)-TaC-Co合金)真空燒結(jié)后元素W、Co、Ti和Ta的成分距離曲線。對于不同升、降溫速率的復(fù)雜燒結(jié)過程，根據(jù)數(shù)據(jù)庫的計(jì)算模擬可以較好地預(yù)測實(shí)驗(yàn)結(jié)果[13]。

圖16　樣品5(WC-Ti(C,N)-TaC-Co合金)真空燒結(jié)后的SEM照片F(xiàn)ig.16　SEM micrograph of the cross section of sample 5 (WC-Ti(C,N)-TaC-Co alloys) after sintering in a N-free atmosphere

圖17　實(shí)驗(yàn)測定[13]和計(jì)算模擬的樣品5(WC-Ti(C,N)-TaC-Co合金)真空燒結(jié)后元素W、Co、Ti和Ta的成分距離曲線Fig.17　Calculated elemental concentration profile for W, Co, Ti and Ta in sample 5 (WC-Ti(C,N)-TaC-Co alloys) after sintering in a N-free atmosphere, compared with the experimental data[13]

4結(jié)語

本文介紹了作者研發(fā)團(tuán)隊(duì)研發(fā)的多組元硬質(zhì)合金熱力學(xué)和動力學(xué)數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫目前包含C-Co-Cr-W-Ta-Ti-Nb-N 8個元素。數(shù)據(jù)庫依據(jù)相應(yīng)熱動力學(xué)模型以及熱力學(xué)參數(shù)和原子遷移參數(shù)所建立，其中參數(shù)通過文獻(xiàn)評估、理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測定的數(shù)據(jù)得到。利用該數(shù)據(jù)庫研究了燒結(jié)區(qū)附近相關(guān)系；元素含量和燒結(jié)氣氛等對梯度硬質(zhì)合金顯微結(jié)構(gòu)及元素分布的影響，其模擬計(jì)算與實(shí)驗(yàn)測定的結(jié)果相符。

近年來，硬質(zhì)合金熱力學(xué)和動力學(xué)數(shù)據(jù)庫在燒結(jié)區(qū)的選擇、元素含量及燒結(jié)氣氛的控制、燒結(jié)工藝的制定等方面發(fā)揮了重要作用，但仍存在以下的一些問題。而這些問題的解決毫無疑問地將會推動硬質(zhì)合金制備工藝的優(yōu)化及硬質(zhì)合金的高效設(shè)計(jì)和制備:

(1)該數(shù)據(jù)庫需進(jìn)一步添加V，Zr，F(xiàn)e，Al，Ni，Mo等元素以拓展其應(yīng)用范圍，如金屬陶瓷、以金屬化合物為粘結(jié)相的硬質(zhì)合金等。

(2)除熱/動力學(xué)數(shù)據(jù)庫之外，熱物性數(shù)據(jù)庫(如界面能、熱導(dǎo)率等)對硬質(zhì)合金的設(shè)計(jì)也至關(guān)重要。因此，為了建立更加精準(zhǔn)完善的數(shù)據(jù)庫，在數(shù)據(jù)庫中添加熱物性參數(shù)也是當(dāng)務(wù)之急。

(3)相場方法可以預(yù)測硬質(zhì)合金在燒結(jié)過程中的顯微結(jié)構(gòu)演變，而相圖熱力學(xué)、擴(kuò)散動力學(xué)數(shù)據(jù)庫及熱物性數(shù)據(jù)庫結(jié)合相場、有限元方法，定量描述硬質(zhì)合金“制備工藝-顯微結(jié)構(gòu)-性能”的關(guān)系必將是硬質(zhì)合金未來重要的研發(fā)方向。

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(編輯:惠瓊)

ZHANG Cong1,2, ZHANG Weibin1,2, PENG Yingbiao1,2, CHEN Weimin1,2,ZHOU Peng1,2,

CHEN Li1,2, ZHANG Lijun1,2,LIU Shuhong1,2,DU Yong1,2, WANG Shequan3

(1.State Key Laboratory of Powder Metallurgy, Central South University, Changsha 410083, China)

(2.Sino-German Cooperation Group “Microstructure”, Central South University, Changsha 410083, China)

(3.Zhuzhou Cemented Carbide Cutting Tools Limited Company, Zhuzhou 412007, China)

Abstract：Cemented carbides, which consist of refractory compounds and binder phase, are produced through powder metallurgy process.They show high hardness, wear resistance, strength with good toughness, heat resistance, corrosion resistance and a series of excellent performance. This paper presents developed thermodynamic and diffusion databases for multicomponent cemented carbides.The databases cover the system C-Co-Cr-W-Ta-Ti-Nb-N.The thermodynamic models and assessments are briefly introduced. The C-Cr-Ta ternary system is shown as an example to describe the procedure of thermodynamic assessment. The diffusion database contains atomic mobility parameters for different diffusing elements in liquid and fcc phases. The atomic mobility parameters in liquid phase are theoretically calculated by the modified Sutherland equation, and atomic mobility parameters in fcc phase are optimized according to the presently measured diffusivities and the literature data. The developed thermodynamic and diffusion databases can be used to calculate phase equilibria in multicomponent alloys, simulate the distribution of elements and phases in alloys. Consequently, the databases are suitable for realizing applications as controlling the alloy composition and sintering temperature, predicting the effect of elements content and sintering atmosphere on the formation of graded cemented carbides, designing and optimizing sintering process for cemented carbides. It is expected that a quantitative description of the relationship betweenthe structure and performance through a combination of thermodynamic, diffusion and thermophysical databases with phase field model and finite element method is the main focus for the future development of cemented carbides.

Key words：cemented carbides; thermodynamics; diffusion; database; simulation; applications

中圖分類號：TG135.5

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1674-3962(2015)01-0001-14

DOI:10.7502/j.issn.1674-3962.2015.01.01

通訊作者：杜勇，男，1964年生，教授,博士生導(dǎo)師，Email：yongducalphad@gmail.com

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51371199，51474239, 51371201)；工業(yè)信息化部“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”科技重大專項(xiàng) (2015ZX04005008); 中德科學(xué)中心資助項(xiàng)目(GZ755)；科技部“973”計(jì)劃項(xiàng)目(2011CB610401，2014CB644002)；中南大學(xué)“升華學(xué)者”特聘教授啟動基金；中南大學(xué)中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(2014zzts022)

收稿日期：2014-11-14

第一作者：張聰，男，1989年生，博士研究生