Liquid phase migration in cemented carbides – Experiments and modelling

Liquid phase migration (LPM) and its potential impact on the phenomenon known as cobalt capping in cemented carbides have been investigated through experiments on fully densified, pre-sintered samples and simulations. A model for LPM was developed based on interface energies, grain size, and contiguity, and was implemented and integrated with Thermo-Calc software to make predictions about the final microstructure. The model\u27s predictions, when applied to cases with gradients in grain size and volume fraction of the binder phase, were found to somewhat match experimental observations. Additionally, it was obsereved that LPM can cause a phenomenon resembling cobalt capping due to gradients in carbon activity

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

Cemented carbides are metallic composites consisting of a WC hard phase and a ductile binder, usually Co-based, produced by powder metallurgy and sintering. Cemented carbides are an essential part of modern material and manufacturing processes. However, Co powder is classified as a carcinogenic material with serious health hazards, and most virgin Co reservoirs are located in conflict regions. In addition, there are monopolies in the market for pure tungsten. Therefore, reducing the consumption of cobalt or replacing it with other non-hazardous elements would increase the sustainability of cemented carbide production. Furthermore, advances in production technology can help overcome raw material limitations. One such advancement is non-homogeneous structures and properties for optimization of microstructure which is the topic of this thesis.  Integrated computational materials engineering (ICME) and its complementary tools, calculation of phase diagram (CALPHAD), and ab-initio modeling are strong tools that bridge experimentation and modeling. In this thesis, a framework for the material design of non-homogeneous cemented carbides is proposed and tested using these computational tools.  The workflow of the material design of non-homogeneous microstructure and properties were studied on different length scales. Atomistic modeling with density functional theory (DFT), ab-initio molecular dynamics (AIMD), and generalized hydrodynamics (GHD) were used to model the viscosity of liquid Co binder. In addition, the mobility of Ti and Fe in disordered BCC TiFe alloy was assessed using new experimental data from the diffusion couple experiments and an electron probe micro-analyzer (EPMA). These two studies were conducted to complete the data necessary to study cemented carbides’ processing and performance.  The other studied phenomenon studied by experimentation and modeling is the formation of the gradient zone and the γ cone structure. In addition, a phenomenological model for liquid phase migration (LPM) was created and implemented using the homogenization approach. The LPM pro- cess was studied experimentally and modeled with the YAPFI software. A study of these performers was necessary to link processing and microstructure. On the performance side, the chemical interaction between cutting tools and Ti alloys was studied in detail through experimentation and modeling of diffusion. In addition, hardness and toughness models were applied to predict the longevity of studied cemented carbides. Finally, by applying ICME and material design, a high entropy alloy (HEA) alternative to Co binder was designed, produced, and tested.  The research presented in this dissertation attempts to fill the gaps in the material design workflow of cemented carbides by developing new tools and methods based on ICME and CALPHAD paradigms. This goal is achieved by studying different length scales, processing methods, microstructure, properties, and performance of cemented carbides. 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.Sintering of non-homogeneous structure

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

Cemented carbides are metallic composites consisting of a WC hard phase and a ductile binder, usually Co-based, produced by powder metallurgy and sintering. Cemented carbides are an essential part of modern material and manufacturing processes. However, Co powder is classified as a carcinogenic material with serious health hazards, and most virgin Co reservoirs are located in conflict regions. In addition, there are monopolies in the market for pure tungsten. Therefore, reducing the consumption of cobalt or replacing it with other non-hazardous elements would increase the sustainability of cemented carbide production. Furthermore, advances in production technology can help overcome raw material limitations. One such advancement is non-homogeneous structures and properties for optimization of microstructure which is the topic of this thesis.  Integrated computational materials engineering (ICME) and its complementary tools, calculation of phase diagram (CALPHAD), and ab-initio modeling are strong tools that bridge experimentation and modeling. In this thesis, a framework for the material design of non-homogeneous cemented carbides is proposed and tested using these computational tools.  The workflow of the material design of non-homogeneous microstructure and properties were studied on different length scales. Atomistic modeling with density functional theory (DFT), ab-initio molecular dynamics (AIMD), and generalized hydrodynamics (GHD) were used to model the viscosity of liquid Co binder. In addition, the mobility of Ti and Fe in disordered BCC TiFe alloy was assessed using new experimental data from the diffusion couple experiments and an electron probe micro-analyzer (EPMA). These two studies were conducted to complete the data necessary to study cemented carbides’ processing and performance.  The other studied phenomenon studied by experimentation and modeling is the formation of the gradient zone and the γ cone structure. In addition, a phenomenological model for liquid phase migration (LPM) was created and implemented using the homogenization approach. The LPM pro- cess was studied experimentally and modeled with the YAPFI software. A study of these performers was necessary to link processing and microstructure. On the performance side, the chemical interaction between cutting tools and Ti alloys was studied in detail through experimentation and modeling of diffusion. In addition, hardness and toughness models were applied to predict the longevity of studied cemented carbides. Finally, by applying ICME and material design, a high entropy alloy (HEA) alternative to Co binder was designed, produced, and tested.  The research presented in this dissertation attempts to fill the gaps in the material design workflow of cemented carbides by developing new tools and methods based on ICME and CALPHAD paradigms. This goal is achieved by studying different length scales, processing methods, microstructure, properties, and performance of cemented carbides. 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.Sintering of non-homogeneous structure

Simulation of Gradient Formation in Cemented Carbides

The aim of the present work is to study the formation of the cubic carbide phase (gamma phase) free gradient zone and the gamma cone structure at the edges of gradient sintered cemented carbides. Four types of cemented carbides; WCTi(C,N)-Co, WC-Ti(C,N)-Ni, WC-Ti(C,N)-Fe, WC-(Ti,Ta,NB)(C,N)-Co were gradient sintered and the thicknesses of the gradients were measured. Formation of the gradients is simulated and the simulations results are compared with experimental data. For all of the one-dimensional simulations, the DICTRA [1] software is used. The two-dimensional simulations are carried out by using a new simulation tool which is called “YAPFI”. The YAPFI software is a tool for simulation of diffffusion in multiphase systems along one, two, or three spatial coordinates. Various numerical parameters have been studied by running less computationally demanding one-dimensional simulations. The optimized parameters are used to setup the two-dimensional simulations. Two different kinetic databases were used in the simulations. The effect of different so-called labyrinth factors were studied systematically. The simulation results are in close agreement with the experimental observations, although some anomalies are present in the results. Results of the two-dimensional simulations show the formation of the gamma cone at the edges of the insert

Geometry effects during sintering of graded cemented carbides: Modelling of microstructural evolution and mechanical properties

Cemented carbides with mesoscopically non-homogeneous properties by design represent a potential to enhanceperformance in metal cutting and rock drilling. Development of in-homogeneous structured hard materialsthrough an ICME approach requires a thorough understanding of diffusion kinetics during solid and liquid statesintering. In this work, we used thermodynamics and diffusion kinetics modelling tools to predict the micro-structure and resulting properties of cemented carbide composites. First, we designed and gradient sintered two(WC-TiCN-Co) cemented carbides with different nitrogen to titanium ratios. Second, we reproduced the experi-mental results in 2D by means of thermodynamic and kinetic simulations. In the last step we calculated fracturetoughness KIC, and Vickers hardness of cemented carbides. The agreement between simulations and experimentalresults is fair and acceptableQC 20190916Sintring av inhomogena strukturer för förbättra prestand

Predicting wear mechanisms of ultra-hard tooling in machining Ti6Al4V by diffusion couples and simulation

QC 20221025</p

An experimental and theoretical investigation on Ti-5553/WC–Co(6%) chemical interactions during machining and in diffusion couples

Chemical interactions that drive crater wear in turning are often studied using diffusion couples where the tool and workpiece are fixed. In contrast, in actual turning, there is a constant supply of new workpiece material at the tool-chip interface. In this work, diffusion simulations of a WC–Co(6%) and Ti–5Al–5V system were conducted, with constant replenishment of titanium at the interface (open system) and a fixed amount of material (closed system). The simulations showed that the formation of W(bcc), η-phase, and TiC is dependent on the activity of C and the permeability of Co and C in titanium. Scanning and transmission electron microscopy-based techniques were used to analyse a Ti–5Al–5V–5Mo–3Cr and WC–Co(6%) diffusion couple and a worn WC–Co(6%) insert. The sequence of phases in the closed system simulation was similar to that observed in the diffusion couple. The open system simulation indicated that W(bcc) can form at WC–WC boundaries (where Co is low) within the subsurface of a WC–Co(6%) that has adhered titanium, and at the WC/Ti interface. Additionally, high densities of stacking faults and dislocations were found within subsurface WC grains, indicating a significant reduction of the tool's integrity