【優(yōu)秀科研文章分享】不同燒結溫度下碳化鎢-高熵合金微觀組織及性能表現(xiàn)

硬質合金因具有高硬度、優(yōu)異的耐磨性和導熱性，在礦產(chǎn)資源開采、機械加工和汽車制造等領域得到廣泛應用。傳統(tǒng)WC基硬質合金通常以Co作為粘結相，但Co在高溫下容易軟化，且熱膨脹系數(shù)與WC相差較大，導致合金的高溫硬度和熱穩(wěn)定性下降。近年來，多主元高熵合金因其獨特的設計理念表現(xiàn)出優(yōu)異的結構和力學性能，具有作為新型WC基硬質合金粘結相的潛力。

本文研究了燒結溫度對以Al0.5CoCrFeNiTi0.5高熵合金（HEA）為粘結相的WC硬質合金微觀組織和性能的影響。采用高能球磨和真空熱壓燒結技術制備了WC-Al0.5CoCrFeNiTi0.5硬質合金，并通過正交試驗設計，利用掃描電子顯微鏡（SEM）、X射線衍射（XRD）和顯微硬度計等方法，分析了燒結參數(shù)對合金微觀組織和性能的影響。結果表明，燒結溫度對合金的力學性能有顯著影響，WC晶粒尺寸和形貌是影響合金性能的關鍵因素。

實驗所用原料為商用WC和Al0.5CoCrFeNiTi0.5高熵合金粉末，粉末粒徑分別為200nm和10~25μm。首先，對粉末進行細化和均勻化處理，使用行星式球磨機將HEA原始粉末球磨細化至1μm，再與WC粉末混合均勻。然后，采用真空熱壓燒結技術制備WC-Al0.5CoCrFeNiTi0.5硬質合金。通過正交試驗設計，重點研究了燒結溫度對合金微觀組織和性能的影響，固定保溫時間為60min，改變燒結溫度，并分析不同燒結溫度下合金的XRD譜圖、SEM形貌及性能。

不同燒結溫度下WC-20wt.%HEA硬質合金的XRD譜圖表明，合金均由WC相和HEA粘結相組成，燒結溫度對物相種類的影響較小。但隨著燒結溫度的升高，WC相的衍射峰強度明顯增強，說明燒結溫度提供了更高的燒結驅動力，增加了WC晶粒長大速率。

SEM形貌圖顯示，不同燒結溫度下WC晶粒形貌存在顯著差異。在1200℃時，WC晶粒形貌呈類球狀；隨著燒結溫度升高至1250℃，晶粒形貌逐漸轉變?yōu)榻亟侨庵鶢?；當燒結溫度達到1300℃時，粗大的WC晶粒逐漸增多，最終生長為尖角三棱柱狀。EDS分析發(fā)現(xiàn)，WC晶粒具有規(guī)則形貌（亮白色），而HEA粘結相的形貌不規(guī)則（灰色和黑色），且HEA各組元發(fā)生了不同程度的擴散行為，產(chǎn)生元素偏聚現(xiàn)象。

隨著燒結溫度的升高，WC晶粒尺寸在0200nm的占比減小，2001000nm的占比增加。當燒結溫度從1200℃增加到1300℃時，WC平均晶粒尺寸由252.61nm增加到284.61nm，增加了12.67%。這表明燒結溫度的升高促進了WC晶粒的生長。

不同燒結溫度下WC-20wt.%HEA硬質合金的性能如圖5所示。隨著燒結溫度從1200℃增加到1300℃，合金的相對密度從97.52%逐漸增加至98.96%，硬度從2173HV減小至2010HV，而斷裂韌性呈先增加后降低的趨勢。在燒結溫度為1250℃時，合金的斷裂韌性達到最大值9.01MPa?m1/2，此時硬度為2028HV，相對密度為98.85%。

根據(jù)Hall-Petch關系，WC-20wt.%HEA硬質合金硬度的降低歸因于WC晶粒尺寸的增加。而斷裂韌性的變化則與WC晶粒形貌有關。在燒結溫度達到1300℃時，WC晶粒形貌主要為尖角三棱柱狀，容易在裂紋擴展尖端形成應力集中區(qū)域，導致裂紋平直尖銳，降低合金的斷裂韌性。

WC-20wt.%HEA硬質合金的增韌機制主要為裂紋橋接和裂紋偏轉。高強韌HEA粘結相能夠有效分散和吸收裂紋尖端能量，使裂紋在擴展過程中更易發(fā)生裂紋橋接和裂紋偏轉，從而減緩裂紋擴展速度，提高合金的斷裂韌性。

燒結溫度對WC-20wt.%HEA硬質合金的力學性能有顯著影響。隨著燒結溫度的升高，合金相對密度逐漸增加，硬度逐漸降低，斷裂韌性呈先增加后降低的趨勢。

WC晶粒尺寸是影響合金相對密度和硬度的關鍵因素。隨著燒結溫度的升高，WC晶粒尺寸增大，導致合金硬度降低。

WC晶粒形貌是影響合金斷裂韌性的主要因素。在燒結溫度達到1300℃時，WC晶粒形貌主要為尖角三棱柱狀，容易形成應力集中區(qū)域，降低合金的斷裂韌性。

CHENG FENG

CHENG FENG

鎳基高硬耐磨無裂合金粉末，具有高硬度，高耐磨性和耐腐蝕的特點，適用于超硬材料工具的表面激光熔覆。應用場面包括礦山開采，隧道挖掘，熱軋鋼輥表面增強等。

【燒結溫度對WC-Al0.5CoCrFeNiTi0.5

硬質合金微觀組織及性能的影響】

張 瑩, 王 文, 張 旭, 劉 藝, 鄭鵬飛, 喬 柯, 強鳳鳴, 王快社