Laboratory researcher at the Department of Metal Physics at the Research Institute of Physics and Technology
Лаборант-исследователь Отдела физики металлов Научно-исследовательского физико-технического института
Professor, Doctor of Sciences in Physics and Mathematics, Director of the Research Institute of Physics and Technology
Профессор, доктор физико-математических наук, директор Научно-исследовательского физико-технического института
Candidate of Sciences in Physics and Mathematics, Junior Researcher at the Research Institute of Physics and Technology
Кандидат физико-математических наук, Младший научный сотрудник Отдела физики металлов Научно-исследовательского физико-технического института
A model to explain the causes of anomalous carbon diffusion in tungsten carbide during spark plasma sintering (SPS) of α-WC + W2C powders has been proposed. The phenomenon of anomalously deep carbon penetration into tungsten carbide ceramics during SPS of a powder billet in graphite tooling, as discovered in previous studies by the authors, is characterized by the formation of an anomalously deep layer (∼ 50 mm in thickness) of pure tungsten monocarbide (a-WC) on the ceramic surface. The formation of this layer is due to the reduction of tungsten semicarbide (W2C) during its interaction with carbon diffusing from the tooling surface. The thickness of the reduced layer (∼ 50 mm) is several orders of magnitude greater than the values that follow from calculations of the depth of carbon diffusion, based on tabulated values of the activation energy of carbon diffusion in tungsten carbide. The model is based on the assumption that to facilitate the phase transformation of W2C → α-WC, during which, due to the restructuring of the atomic crystal structure, a change in the volume of the unit cell occurs, it is necessary to ensure not only the flow of additional carbon to the surface of the W2C particles, but also the formation of additional volume, the value of which is proportional to the change in density during this phase transformation (∼ 10%). The creation of additional volume is provided by the flow of nonequilibrium vacancies from the sample surface. The concentration of such vacancies is proportional to the value of the change in density during the phasetransformation of W2C→α-WC and the volume fraction of the W2C particles, and in this case exceeds the equilibrium concentration of vacancies in tungsten carbide by several orders of magnitude. The presence of these vacancies facilitates the accelerated diffusion of carbon in tungsten carbide. The model allows for the estimation of changes in the diffusion coefficient and enables the calculation of the depth of carbon penetration into the sintered material.
Предложена модель, позволяющая объяснить причины аномальной диффузии углерода в карбиде вольфрама при электроимпульсном плазменном спекании (ЭИПС) порошков состава α-WC + W2C. Явление аномально глубокого проникновения углерода в керамику из карбида вольфрама при ЭИПС порошковой заготовки в графитовой оснастке, обнаруженное в предшествующих работах авторов, проявляется в возникновении на поверхности керамики аномально глубокого слоя (толщиной ∼ 50 мкм) чистого монокарбида вольфрама α-WC. Появление этого слоя обусловлено восстановлением полукарбида вольфрама W2C при его взаимодействии с углеродом, диффундирующим с поверхности оснастки. Толщина восстановленного слоя (∼ 50 мкм) на несколько порядков превышает значения, которые следуют из вычислений глубины диффузии углерода при табличных значениях энергии активации диффузии углерода в карбиде вольфрама. В основе модели лежит предположение, что для осуществления фазового превращения W2C→α-WC, при котором, вследствие перестройки атомно-кристаллической структуры, происходит изменение объема элементарной ячейки, необходимо обеспечить не только поток дополнительного углерода к поверхности частиц W2C, но и образование дополнительного объема, величина которого пропорциональна изменению плотности при данном фазовом превращении (∼ 10%). Создание дополнительного объема обеспечивается потоком неравновесных вакансий с поверхностиобразца. Концентрация таких вакансий пропорциональна величине изменения плотности при фазовом превращении W2C→α-WC и объемной доле частиц W2C, и в данном случае на несколько порядков превышает равновесную концентрацию вакансий в карбиде вольфрама. Появление таких вакансий в системе способствует осуществлению ускоренной диффузии углерода в карбиде вольфрама. Модель позволяет оценить изменение коэффициента диффузии и рассчитать глубину проникновения углерода в спекаемый материал.