- PII
- S30346215S0015323025070101-1
- DOI
- 10.7868/S3034621525070101
- Publication type
- Article
- Status
- Published
- Authors
- Volume/ Edition
- Volume 126 / Issue number 7
- Pages
- 826-832
- Abstract
- A model to explain the causes of anomalous carbon diffusion in tungsten carbide during spark plasma sintering (SPS) of α-WC + WC 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 μm 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 (WC) during its interaction with carbon diffusing from the tooling surface. The thickness of the reduced layer (~ 50 μm) 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 WC → 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 WC 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 phase transformation of WC→α-WC and the volume fraction of the WC 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.
- Keywords
- карбид вольфрама электроимпульсное плазменное спекание диффузия углерода фазовые превращения
- Date of publication
- 03.09.2025
- Year of publication
- 2025
- Number of purchasers
- 0
- Views
- 42
References
- 1. Панов В.С., Чувилин А.М. Технология и свойства спеченных твердых сплавов и изделий из них. Учебное пособие для вузов. М.: МИСИС, 2001. 428 с.
- 2. Самсонов Г.В., Витрянюк В.К., Чаплыгин Ф.И. Карбиды вольфрама. К.: Наукова думка, 1974. 176 с.
- 3. Olevsky E.A., Dudina D.V. Field-Assisted Sintering: Science and Applications. Springer. Cham, 2018. 425 p.
- 4. Cha S.I., Hong S.H. Microstructures of binderless tungsten carbides sintered by spark plasma sintering process // Mater. Sci. Eng. A. 2003. V. 356. No. 1–2. P. 381–389.
- 5. Zhao J., Holland T., Unuvar C., Munir Z.A. Sparking plasma sintering of nanometric tungsten carbide // Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 2009. V. 27. No. 1. P. 130–139.
- 6. Chuvildeev V.N., Panov D.V., Boldin M.S., Nokhrin A.V., Blagoveshchensky Yu.V., Sakharov N.V., Shotin S.V., Koikov D.N. Structure and properties of advanced materials obtained by Spark Plasma Sintering // Acta Astronaut. 2015. V. 109. P. 172–176.
- 7. Tokita M. Spark Plasma Sintering (SPS) Method, Systems, and Applications, in: Somiya S. (Eds.), Handbook of Advanced Ceramics: Materials, Applications, Processing, and Properties (Second Edition). Cambridge: Academic Press, 2013. P. 1149–1177.
- 8. Стормс Э. Тугоплавкие карбиды. М.: Атомиздат, 1970. 305 с.
- 9. Гусев А.Н. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии. 2–е изд., испр. М.: Физматти, 2009. 414 с.
- 10. Благовещенский Ю.В., Исаева Н.В., Синайский М.А., Анкудинов А.Б., Зеленский В.А. Регулирование свойств нанопорошков тугоплавких карбидов // Перспективные материалы. 2018. № 1. С. 66–73.
- 11. Исаева Н.В., Благовещенский Ю.В., Благовещенская Н.В., Мельник Ю.И., Самохин А.В., Алексеев Н.В., Асташов А.Г. Получение нанопорошков карбидов и твердосплавных смесей с применением низкотемпературной плазмы // Изв. Вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2013. № 3. С. 7–14.
- 12. Курлов А.С., Гусев. А.И. Физика и химия карбидов вольфрама. М.: Физматти, 2013. 272 с.
- 13. Suetin D.V., Shein I.R., Ivanovskii A.L. Structural, electronic and magnetic properties of n carbides (Fe₃W₃C, Fe₃W₆C, Co₃W₃C and Co₆W₆C) from first principles calculations // Phys. B: Condens. Matter. 2009. V. 404. No. 20. P. 3544–3549.
- 14. Smetanina K.E., Andreev P.V., Lantsev E.A., Nokhrin A.V., Murashov A.A., Isaeva N.V., Blagoveshchenskii Yu.V., Boldin M.S., Chuvildeev V.N. Nonuniform distribution of crystalline phases and grain sizes in the surface layers of WC ceramics produced by spark plasma sintering // Coat. 2023. V. 13. No. 6. P. 1051.
- 15. Мерер Х. Диффузия в твердых телах. Монография. Пер. с англ. Научное издание. Долгопрудный: “Интеллект”, 2011. 536 с.
- 16. Оура К., Лифшиц В.Г., Саранин А.А., Зотов А.В., Катаяма М. Введение в физику поверхности / Отв. ред. Сергиенко В.И. М.: Наука, 2006. 490 с.
- 17. Физическое металловедение: в 3-х т., 3-е изд., перераб. и доп. / Под ред. Р.У. Кана, П. Хаазена Т. 2: Фазовые превращения в металлах и сплавах и сплавы с особыми физическими свойствами: Пер. с англ. М.: Металлургия, 1987. 624 с.
- 18. Орлов А.Н., Трушин Ю.В. Энергии точечных дефектов в металлах. М.: Энергоатомиздат, 1983. 80 с.
- 19. Buhsmer C., Crayton P. Carbon self-diffusion in tungsten carbide // J. Mater. Sci. 1971. V. 6. P. 981–988.
- 20. Красовский П.В., Благовещенский Ю.В., Григорович К.В. Определение содержания кислорода в нанопорошках системы W—C—Co // Неорганические материалы. 2008. Т. 44. № 9. С. 1074–1079.
- 21. Курлов А.С., Гусев А.И. Вакуумный отжиг нанокристаллических порошков WC // Неорганические материалы. 2012. Т. 48. № 7. С. 781–791.
- 22. Lee G., McKittrick J., Ivanov E., Olevsky E.A. Densification mechanism and mechanical properties of tungsten powder consolidated by spark plasma sintering // Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 2016. V. 61. P. 22–29.
- 23. Дергунова В.С., Левинский Ю.В., Шуршаков А.Н., Кравецкий Г.А. Взаимодействие углерода с тугоплавкими металлами. М.: Металлургия, 1974. 288 с.
- 24. Treheux D., Dubois J., Fantozzi G. Bulk and grain boundary diffusion of ¹⁴C in tungsten hemicarbide // Ceram. Int. 1981. V. 7. P. 142–148.
- 25. Kwak N., Min G., Oh Y., Suh D.-W., Kim H.C., Kang S.-gyu, Han H.N. Tantalum and molybdenum barriers to prevent carbon diffusion in spark plasma sintered tungsten // Scripta Mater. 2021. V. 196. P. 113759.
- 26. Bokhonov B.B., Ukhina A.V., Dudina D.V., Anisimov A.G., Mali V.I., Batraev I.S. Carbon uptake during spark plasma sintering: Investigation through the analysis of the carbide “footprint” in a Ni—W alloy // RSC Adv. 2015. V. 5. No. 98. P. 80228–80237.
- 27. Batienkov R.V., Efimochkin I.Yu., Osin I.V., Khudnev A.A. Study of molybdenum-tungsten powder compaction processes by spark plasma sintering // Metallurgist. 2020. V. 63. P. 1329–1336.
