TiC-CoCrFeNiMn高熵硬质合金的强化机理及力学性能研究

来源 :齐鲁工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:liuking
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硬质合金因高硬度、高强度等优异性能被誉为“工业牙齿”,在水刀砂管等耐磨件领域发挥重要作用。但是,目前制备硬质合金所使用的粘结剂有硬度低、高温性能差、耐磨性低等缺点使硬质合金在耐磨零件方面应用受到限制。近年来,人们尝试使用高熵合金替代常规粘结剂,通过烧结工艺制备高熵硬质合金解决这一问题。但因为高熵合金与硬质相的润湿性较差,导致高熵硬质合金的综合性能与传统硬质合金相比还有一定差距。本文提出使用添加剂提高高熵硬质合金的综合性能,研究了WC、TaC、Ni三种添加剂含量对高熵硬质合金微观组织、力学性能和耐磨性能的影响,揭示了三种添加剂对高熵硬质合金的强化机理,最后确定最优添加剂的种类和含量。将WC作为添加剂,采用真空烧结工艺制备TiC-CoCrFeNiMn高熵硬质合金。通过力学性能测试,发现WC添加量为15wt.%的高熵硬质合金拥有相对较优的力学性能,维氏硬度为2046.4HV30,抗弯强度为830MPa,断裂韧性为9.89MPa·m1/2。与未添加WC时相比,分别增加了41%,26%,32%。从力学性能测试可以证明WC添加到高熵硬质合金中起到提高力学性能的作用,其原因在于WC通过形成边缘结构来改善高熵合金与TiC之间的润湿性,提高硬质合金的综合性能。经过断口形貌分析,发现WC的加入使硬质合金的断裂形式从以沿晶断裂为主转变为以穿晶断裂为主,提高硬质合金的强度和韧性。通过摩擦磨损实验结果表明WC含量为15wt.%的高熵硬质合金拥有相对较优的耐磨性。合金的磨损形式主要包括磨粒磨损,并伴随着氧化磨损和粘着磨损。将TaC作为添加剂,通过真空烧结工艺制备TiC-CoCrFeNiMn高熵硬质合金。研究发现,TaC添加量在9wt.%时,高熵硬质合金的综合性能相对较优,分别为维氏硬度1700.2HV30,抗弯强度750MPa,断裂韧性8.92MPa·m1/2,与未添加TaC时相比,分别增加了18%,15%,19%。通过SEM和EDS分析,TaC与WC类似,通过形成核心-边缘结构抑制晶粒长大,对粘结相起到固溶强化作用,提高高熵硬质合金的综合性能。当TaC含量超过9wt.%时,TaC出现严重团聚现象,恶化硬质合金的性能。从摩擦磨损实验的结果表明,添加9wt.%TaC的高熵硬质合金的摩擦系数小,磨痕较窄,磨痕较浅,摩擦磨损性能相对较优。合金的磨损形式以磨粒磨损为主,同时伴随着氧化磨损和粘着磨损。将Ni作为添加剂,通过真空烧结工艺制备TiC-CoCrFeNiMn高熵硬质合金。力学性能实验结果表明,当Ni含量为3wt.%时,高熵硬质合金的性能相对较优,维氏硬度为1603.9HV30,抗弯强度为730MPa,断裂韧性为8.45MPa·m1/2,与未添加Ni的硬质合金相比,分别增加了10%,12%,12%。通过微观组织和元素分析得出,Ni对高熵硬质合金的强化机理与WC不同,Ni无法形成边缘结构,Ni通过自身良好的润湿性来影响液相烧结过程,增加液相对TiC硬质相的溶解度,促进溶解-析出过程,加快硬质相的重排致密,最终提高高熵硬质合金的综合性能。通过摩擦磨损实验结果得出,Ni的添加量在3wt.%时,高熵硬质合金的耐磨性相对较优。通过SEM和EDS分析,磨损形式为磨粒磨损、氧化磨损和粘着磨损并存。经实验研究得出,在三种添加剂中,WC对高熵硬质合金的微观结构和力学性能改善最为明显,为最佳添加剂。添加WC后的合金晶粒细小均匀,拥有极高的硬度、较好的强度和断裂韧性。其次是TaC,但因为TaC的团聚现象阻碍了合金性能的提升,使其改善效果不如WC。最后是Ni,添加Ni后的合金微观组织改善并不明显,而且力学性能提升较小,远不如WC。本研究为高性能高熵硬质合金的制备提供了理论基础和技术指导,在提高高熵硬质合金综合性能方面具有重要的研究价值。
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