Atomic-scale investigation of interfacial structures in WC-Co at finite temperatures

Doctoral thesis, 2021

Hårdmetaller är kompositmaterial som har en mikrostruktur med mikrometerstora korn av en karbid (WC) som är sammanfogade med hjälp av en bindefas (Co).
Denna mikrostruktur ger upphov till en unik kombination av hårdhet och seghet, vilket gör materialet attraktivt för använding inom industriella applikationer som t.ex. bearbetning av stål.
Storleken av karbidkornen är direkt kopplade till hårdheten i materialet, där mindre korn leder till ett hårdare material.
Att förstå och kunna kontrollera kornstorleken i dessa material är därför en viktig aspekt för att kunna tillverka material med önskad hårdhet.
Drivkraften för korntillväxt är att minimera arean mellan korn och bindefasen, eftersom det leder till en lägre energi (likt hur flera vattendroppar tenderar att bilda en stor vattendroppe).
Korntillväxten sker via atomära processer vid ytorna mellan korn och bindefas, och därav är det av intresse att både förstå och förutsäga hur man kan påverka dessa processer.


I den här avhandlingen studeras ytor och deras egenskaper i hårdmetaller med hjälp av datorberäkningar och simuleringar.
För att kunna göra detta, speciellt vid höga temperaturer, så krävs atomära modeller för interaktionerna i materialet.
En del av avhandlingen har fokuserat på att bidra till utvecklingen av mjukvaror för att göra konstruktionen av dessa modeller enkel och smidig.
Detta har resulterat i att två öppna programvaror har publicerats.
Sedan har vi byggt och använt atomära modeller för att studera hur atomlager vid ytan mellan karbiden och bindefasen beter sig och hur dessa påverkas av t.ex. temperatur.
Vi finner att speciellt vid höga temperaturer så kan det bildas en tunn film, ett par atomlager tjock, men en ny kristallstruktur och annorlunda komposition.
Dessa typer av tunna filmer skulle kunna ge upphov till en hämning av korntillväxten, och därav är det viktigt att förstå under vilka förhållanden som de kan skapas.
Vi studerar även dessa tunna filmer för ett Ti dopat material, och finner att dopning leder till att filmerna lättare bildas.
Här finner vi även att Ti atomerna specifikt segregerar till det andra atomlagret i filmerna, vilket även har observerats i experimentella mikroskopstudier.
Detta ger en bra indikation på att våra modeller och således våra resultat är sunda och kan vidare användas för att förstå atomära mekanismer i hårdmetaller som är svåra att studera experimentellt.