Термодинамические расчеты и построение диаграмм фазовой стабильности Эллингхема и фазового доминирования для системы W–Ti–C–Сo

Авторы

  • А.М. Алимжанова Национальный центр по комплексной переработке минерального сырья Республики Казахстан, Казахстан
  • Б.Т. Сахова Национальный центр по комплексной переработке минерального сырья Республики Казахстан, Казахстан
  • А.Ж. Терликбаева Национальный центр по комплексной переработке минерального сырья Республики Казахстан, Казахстан
  • A.A. Мухаметжанова Национальный центр по комплексной переработке минерального сырья Республики Казахстан, Казахстан
  • Г.К. Малдыбаев Национальный центр по комплексной переработке минерального сырья Республики Казахстан, Казахстан
  • Н.М. Сейдахметова Национальный центр по комплексной переработке минерального сырья Республики Казахстан, Казахстан
  • С.А. Воротыло Научно-технологический университет имени короля Абдаллы, Саудовская Аравия
  • Г.М. Койшина Satbayev University, Казахстан

DOI:

https://doi.org/10.51301/ejsu.2025.i4.01

Ключевые слова:

термодинамическое моделирование, диаграмма фазовых состояний, диаграмма Эллингема, огнеупорные материалы, фазовая стабильность, модуль объёмной упругости, модуль сдвига

Аннотация

В настоящем исследовании представлен термодинамический анализ фазовых равновесий и устойчивости соединений в системе W–Ti–C–Co с использованием ab initio моделирования, базы данных Materials Project и программного комплекса HSC Chemistry 6. Основное внимание уделено выявлению стабильных и метастабильных фаз, характерных для композиционных материалов на основе тугоплавких металлов и углерода с добавками кобальта и титана. Проведенные расчеты позволили определить перечень характерных фаз, построить четвертичную и тройные фазовые диаграммы (Ti–W–C, Co–Ti–C, Co–W–C), диаграммы устойчивости типа Эллингема и карты межфазных реакций. Механические свойства оценивались по значениям объемного и сдвигового модулей: карбид вольфрама (WC) оказался самым твердым, а интерметаллид TiCo – наиболее пластичным. Установлена высокая вероятность образования тройных карбидов (W–Co, W–Ti), существенно влияющих на свойства материала. Выявлены 14 возможных межфазных реакций, включая образование карбидов и интерметаллидов. Анализ диаграммы Эллингема показал, что соединение Co2C термически неустойчиво выше ~400°C, а Co7W6 термодинамически невыгоден во всем температурном диапазоне. WC стабилен до ~1400°C, после чего доминирует W2C. Результаты исследования способствуют углубленному пониманию фазообразования в многокомпонентных металл-углеродных системах и формируют научную базу для создания термостойких материалов с заданными механическими свойствами.

Библиографические ссылки

Fal'kovskii, V.A., & Kliachko, LI. (2005). Hard alloys. Mos-cow: Ruda i metally.

Andrievskii, R.A., & Ragulia, A.V. (2005). Nanostructured materials. Moscow: Akademiia.

Pugh, S.F. (1954). XCII. Relations between the elastic moduli and the plastic properties of polycrystalline pure metals. The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science, 45(367), 823-843. https://doi.org/10.1080/14786440808520496

Hautier, G., Fischer, C.C., Jain, A., Mueller, T. & Ceder, G. (2010). Finding nature’s missing ternary oxide compounds us-ing machine learning and density functional theory. Chemistry of Materials, 22(12), 3762-3767. https://doi.org/10.1021/cm100795d

Ong, S.P., Jain, A., Hautier, G., Kang, B. & Ceder, G. (2010). Thermal stabilities of delithiated olivine MPO4 (M = Fe, Mn) cathodes investigated using first principles calculations. Electro-chemistry Communications, 12(3), 427-430. https://doi.org/10.1016/j.elecom.2010.01.010

Ong, S.P., Cholia, S., Jain, A., Brafman, M., Gunter, D., Ceder, G. & Persson, K.A. (2015). The Materials Application Pro-gramming Interface (API): A simple, flexible and efficient API for materials data based on Representational State Transfer (REST) principles. Computational Materials Science, 97, 209-215. https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2014.10.037

Ångqvist, M.A., Rahm, J.M., Gharaee, L., &Erhart, P. (2019). Phase diagram of the Ti–W system from first-principles. arXiv preprint. arXiv:1904.04814. https://arxiv.org/abs/1904.04814

Shi, Y., Guo, C., Li, C., Du, Z., & Hu, D. (2022). Experimental investigation of isothermal sections in the Co–Ti–W system. Frontiers in Materials, 9, 880143. https://doi.org/10.3389/fmats.2022.880143

Bartel, C.J., Millican, S.L., Deml, A.M., Rumptz, J. R., Tumas, W., Weimer, A.W., & Holder, A.M (2018). Physical descriptor for the Gibbs energy of inorganic crystalline solids and tempera-ture-dependent materials chemistry. Nature Communications, 9, 4168. https://doi.org/10.1038/s41467-018-06682-4

Jain, A., Hautier, G., Ong, S. P., Moore, C., Fischer, C.C., Persson, K.A. & Ceder, G. (2011). Formation enthalpies by mixing GGA and GGA+U calculations. Physical Review B, 84(4), 045115. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.84.045115

Ong, S.P., Wang, L., Kang, B. & Ceder, G. (2008). The Li–Fe–P–O2 phase diagram from first principles calculations. Chemis-try of Materials, 20(5), 1798-1807. https://doi.org/10.1021/cm702327g

Richards, W.D., Miara, L.J., Wang, Y., Kim, J.C. & Ceder, G. (2016). Interface stability in solid-state batteries. Chemistry of Materials, 28(1), 266-273. https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.5b04082

Belsky, A., Hellenbrandt, M., Karen, V.L. & Luksch, P. (2002). New developments in the Inorganic Crystal Structure Database (ICSD): Accessibility in support of materials research and de-sign. Acta Crystallographica Section B: Structural Science, 58(3), 364–369. https://doi.org/10.1107/S0108768102006948

Folch, R., Plapp, M. (2005). Quantitative phase-field modeling of two-phase growth. Physical Review E, 72(1), 011602. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.72.011602

De Jong, M., Chen, W., Notestine, R., Persson, K., Ceder, G., Jain, A., Asta, M. & Gamst, A. (2016). A statistical learning framework for materials science: Application to elastic moduli of k-nary inorganic polycrystalline compounds. Scientific Reports, 6, 34256. https://doi.org/10.1038/srep34256

Загрузки

Опубликован

2025-08-31

Как цитировать

Алимжанова, А. ., Сахова, Б. ., Терликбаева, А. ., Мухаметжанова A., Малдыбаев, Г. ., Сейдахметова, Н. ., Воротыло, С. ., & Койшина, Г. . (2025). Термодинамические расчеты и построение диаграмм фазовой стабильности Эллингхема и фазового доминирования для системы W–Ti–C–Сo. Engineering Journal of Satbayev University, 147(4), 1–8. https://doi.org/10.51301/ejsu.2025.i4.01

Выпуск

Том 147 № 4 (2025): Engineering Journal of Satbayev University

Раздел

Металлургия

Лицензия

Copyright (c) 2025 Engineering Journal of Satbayev University

Лицензия Creative Commons

Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial-NoDerivatives» («Атрибуция — Некоммерческое использование — Без производных произведений») 4.0 Всемирная.

<div class="pkpfooter-son">
<a rel="license" href="http://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/"><img alt="Creative Commons License" style="border-width:0" src="https://i.creativecommons.org/l/by-nc/4.0/80x15.png"></a><br>This work is licensed under a <a rel="license" href="http://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/">Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License</a>.
</div>