碳化铪和碳化钨的SPS烧结研究

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难熔金属是稀有金属的一类,容易与碳生成化学性能稳定的碳化物,且具备高熔点、高硬度等优点。为了探究难熔金属碳化物的烧结机理,适应工业生产的需求,论文采用放电等离子烧结(SPS)方法,选取熔点最高的单一化合物HfC,以及应用最广泛的WC作为实验材料,制备了高致密度、高性能的HfC,探究了SPS制备难熔金属碳化物的普遍规律,进一步制备出了高致密高性能的WC以及WC-6Co,并探究出了两者固相连接的最佳工艺。利用SPS技术对纳米级纯HfC粉末进行烧结,研究了烧结压力和烧结温度对HfC致密度微观组织以及力学性能的影响。结果表明,当轴向压力为50MPa,烧结温度为1900℃时,HfC致密度和硬度均达到最大值,分别为95.4%和1793HV。为进一步提高HfC的性能,以机械混粉的方式在纯HfC粉末中加入2.5wt.%的超细碳粉,采用纯HfC的最佳烧结工艺对混合粉末进行烧结。结果显示,烧结体的致密度提高至96.1%,维氏硬度降低至1721HV。X射线衍射仪(XRD)显示烧结体无杂相,扫描电子显微镜(SEM)观察到表面整体上无较大缺陷,局部存在少量孔洞。利用SPS技术和球磨混粉相结合的方法,研究了粒径为0.4μm的超细晶纯WC粉末的烧结工艺。结果显示,纯WC的最佳烧结温度为1800℃,最佳保温时间为0~5min之间,轴向压力为40MPa。在此工艺下,WC的致密度、维氏硬度、断裂韧性分别为99.1%、2410HV、13.54MPa·m1/2。为了改善WC的性能,利用球磨混粉的方式加入了不同质量分数的抑制剂VC。结果显示,WC的致密度保持在98%~99%区间,力学性能得到提升,维氏硬度提升16.5%达到2807HV。利用SPS技术探究了超粗晶WC-6Co粉末的最佳致密工艺。结果表明,最佳的烧结参数为烧结温度1200℃,轴向压力40MPa,保温5min,致密度达到98.7%,维氏硬度对比纯WC下降18.9%为1954.4HV,断裂韧性提高31.5%达到17.8MPa·m1/2。利用SPS技术对制备的WC和WC-6Co进行固相扩散连接。结果显示,最佳的连接参数为连接温度1200℃,轴向压力40MPa,保温时间30min,最佳工艺下连接件的剪切强度达到315.1MPa,对连接前后基件的力学性能进行了对比测试,在接头附近的WC硬度降低,断裂韧性升高,WC-6Co的硬度基本不变,断裂韧性降低,结合SEM结果,说明粘结相Co发生了扩散,基件的其余部分未发生性能变化。
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