Facile Synthesis of High Entropy Carbide-based Cermets

Promovendus/a: Zahid Anwer

Promotor(en): Prof. dr. ir. Jozef Vleugels, De heer Shuigen Huang

Dit promotieonderzoek richt zich op het ontwikkelen van innovatieve op nikkel (Ni) gebaseerde cermets van hoogentropisch carbide (HEC) op een snelle en kosteneffectieve manier om HEC-Ni cermets op grote schaal te produceren. Met behulp van een enkelvoudig verhittingsproces heb ik zowel equimolaire als niet-equimolaire HEC-Ni cermets succesvol gesynthetiseerd. De materialen werden bereid met commercieel beschikbare monokarbidepoeders of een mengsel van overgangsmetaaloxiden en grafiet. Tijdens het sinteren ontdekte ik dat bepaalde carbiden zoals TaC en NbC helpen bij de vorming van een vaste oplossing bij lagere temperaturen, waarbij volledige verdichting plaatsvindt rond 1420°C. Dit proces resulteerde in een unieke samenstellingsgradiënt binnen de HEC-fase, met een kern-schilstructuur. Daarnaast leidde het gebruik van zachtere, nano-grootte overgangsmetaaloxiden en grafiet als uitgangsmaterialen tot HEC-Ni cermets met een uniformere korrelstructuur en verbeterde hardheid. Deze verbetering was te danken aan de vorming van zuivere carbide- en bindmiddelfasen tijdens het carbothermische reductieproces. De gedeeltelijke vervanging van WC door Mo2C verhoogde niet alleen de vaste oplosbaarheid van hexagonale carbiden (WC, Mo2C) maar resulteerde ook in fijnere korrelgroottes en onderscheidende microstructuren. De koolstofinhoud speelde een cruciale rol bij het beheersen van de microstructuur en eigenschappen van de cermets. Mijn experimenten, ondersteund door thermodynamische simulaties, toonden aan dat HEC-Ni cermets hun gewenste eigenschappen over een breed scala aan koolstofgehaltes konden behouden, waardoor ze minder gevoelig waren voor ongewenste secundaire fasen. Om de praktische toepassingen van HEC-Ni cermets te beoordelen, testte ik hun weerstand tegen hoge-temperatuuroxidatie en slijtage. De resultaten toonden aan dat HEC-Ni cermets een pseudo-beschermende oxidelaag ontwikkelden, die aanzienlijke oxidatieweerstand bood, vooral bij 700°C. Ze vertoonden ook veelbelovende slijtvastheid bij hoge temperaturen, waarbij ze traditionele materialen zoals WC-Co en NbC-Ni overtroffen.

Samenvattend toont mijn onderzoek aan dat HEC-Ni cermets een veelbelovend materiaal zijn voor toepassingen bij hoge temperaturen vanwege hun superieure oxidatie- en slijtvastheid. Deze bevindingen banen de weg voor verdere ontwikkeling en potentieel gebruik van HEC-Ni cermets voor slijtvastheidstoepassingen.