高熵合金-陶瓷结合剂WC基硬质合金的制备与性能研究

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WC基硬质合金领域多采用粘结相的多元合金化来提高材料性能,由于高熵合金(HEAs)具有传统合金无法比拟的优点,成为替代铁族金属粘结相的理想材料。同时采用非化学计量比碳化物为添加剂,通过引入空位效应对WC基硬质合金进行强韧化。本文采用机械合金化法(MA)制备了Co Cr Ni Cu Fe、Al Zn Cu Fe Ti和Co Ni Cu Fe Mn三种HEAs以及Ti C0.4和VC0.5两种非化学计量比碳化物,通过放电等离子烧结(SPS)制备了新型高熵合金-陶瓷结合剂WC基硬质合金。探究了结合剂的种类和配比、烧结温度以及原始WC粉末粒度对硬质合金组织和性能的影响,并分析了空位效应对硬质合金的改性机理。在WC-Co Cr Ni Cu Fe-Ti C0.4体系中,在1200℃烧结保温5 min条件下制备的WC-9.8 wt.%Co Cr Ni Cu Fe-2 wt.%Ti C0.4硬质合金的综合性能最好,致密度、维氏硬度和断裂韧性分别可达95.2%、1765.6 HV30和9.67 MPa?m1/2。空位效应的存在促使Cr元素向Ti C0.4中偏析,同时随着WC和Ti C0.4固溶反应的不断推进,最终形成更稳定的(Ti,W,Cr)Cx复合碳化物。适量Ti C0.4的添加促使板状WC颗粒的形成,达到增韧作用。提高烧结温度极大改善了WC-9.8 wt.%Co Cr Ni Cu Fe-2 wt.%Ti C0.4硬质合金的致密度,但是高温烧结导致Co Cr Ni Cu Fe发生脱溶现象,不利于材料机械性能的提高。在WC-VC0.5-HEAs体系中,以商用超细晶WC粉末为硬质相原料,在1300℃烧结保温10 min制备的WC-4.75 wt.%VC0.5-5 wt.%Co Cr Ni Cu Fe硬质合金的综合性能最好,致密度、维氏硬度和断裂韧性分别为98%、2359.5 HV30和9.16 MPa?m1/2,室温和800℃时的抗压强度分别为1958.5 MPa和1651 MPa,抗弯强度达到879 MPa,表现出良好的高温抗氧化性。V元素在WC颗粒表面偏析抑制了WC晶粒的长大,Cr元素对(V,W,Cr)Cx的固溶强化致使阶梯状穿晶断裂形式的出现,细小均匀的微观组织再结合Co Cr Ni Cu Fe良好的塑形变形能力,使材料兼具高硬度和良好的韧性。在相同实验条件下,以Al Zn Cu Fe Ti和Co Ni Cu Fe Mn为粘结剂制得的WC基硬质合金,由于HEAs相结构的稳定性被破坏,导致材料性能明显下降。
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