Till innehåll på sidan

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

Tid: Fr 2022-11-18 kl 09.00

Plats: D31, Lindstedtsvägen 5, Stockholm

Videolänk: https://kth-se.zoom.us/j/68323171363

Språk: Engelska

Ämnesområde: Teknisk materialvetenskap

Respondent: Armin Salmasi , Strukturer

Opponent: Docent José Garcia, Sandvik Coromant AB

Handledare: Docent Henrik Larsson, Strukturer; Docent Lars Höglund, Strukturer; Andreas Blomqvist, Materialvetenskap; Professor Joakim Odqvist, Strukturer; Professor John Ågren, Strukturer

Exportera till kalender

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