TiC/Fe复合材料的相图热力学及微结构控制研究

Due to the combination of high hardness and high wear resistance of cermets as well as machinability and heat treatability of tool steels, TiC/Fe composites are widely used as wear parts and tool materials. However, the lack of phase diagram data brings difficulties in microstructure control of the composites, which seriously restricts product development efficiency. To solve this problem, this project intends to: 1) Establish accurate thermodynamic database for the C-Fe-Mo-Ti-W multicomponent system through the coupling of key experiments, phase diagram thermodynamics and first-principles calculations; 2) Design and prepare 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) Conduct experimental characterization of microstructure with the aid of thermodynamic simulations to study the influence of different alloy compositions and process parameters on the microstructure and properties of TiC/Fe composites, and then clarify the control mechanism of microstructure of TiC/Fe composites. The completion of this project is expected to lay a basis of theoretical importance for the design and development of TiC/Fe composites.

TiC/Fe复合材料具有金属陶瓷的高硬度、高耐磨性，同时兼具工具钢的可机加工、可热处理性，被广泛用作耐磨材料和工具材料。然而，相关相图数据的缺乏，使该复合材料微结构的控制变得十分困难，严重制约了其产品的研发效率。据此，本项目拟开展以下工作：1）耦合关键实验、相图热力学和第一性原理计算，获得C-Fe-Mo-Ti-W五元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）基于热力学模拟开展微结构的实验表征，研究合金成分和工艺参数对组织结构和力学性能的影响，阐明TiC/Fe复合材料微结构的控制机理。本项目的完成可望为TiC/Fe复合材料的开发奠定重要的理论基础。

TiC-Fe复合材料具有金属陶瓷的高硬度、高耐磨性，同时兼具工具钢的可机加工、可热处理性，被广泛用作耐磨材料和工具材料。然而，相关相图数据的缺乏，使该复合材料微结构的控制变得十分困难，严重制约了其产品的研发效率。据此，本项目开展了以下工作：1）采用Thermo-Calc软件，利用CALPHAD方法，完成了C-Nb-V、C-Cr-Zr、C-Hf-Mo、B-Hf-Zr、Fe-Mo-Ti、Fe-Mo-W和Fe-Ti-W合金体系的热力学优化，获得了一整套自洽合理的热力学参数；2）耦合已获得的热力学数据，建立了以Ti、Fe、C为核心，并包含Mo、W、Cr、Nb、V、Hf、B等元素的热力学数据库；3）利用已建立的热力学数据库，开展了成分和结构设计，制备得到了高性能的TiC-Fe、TiC-Fe-Mo和BxC-TiB2复合材料，研究了合金成分和工艺参数对其组织结构和力学性能的影响，阐明了这些复合材料微结构的控制机理。本项目的科学意义在于：1）提供了一套包含多组难熔金属元素的热力学数据库，可用于难熔金属和硬质合金的设计与制备，比如烧结温度的计算、粘结相固溶度的计算以及强化相的体积分数计算等；2）提供了一条高效的合金设计制备的工艺路线，即热力学计算-成分设计-工艺优化-产品迭代生产，为TiC-Fe复合材料的开发奠定重要的理论基础。