W-CoCrNi中熵合金的燒結(jié)致密化及其組織與性能

高密度鎢合金具有密度高、強度高、導電和導熱性能好、熱膨脹系數(shù)小、耐腐蝕性和焊接性好等優(yōu)點，廣泛應用于航空航天、國防軍工和民用工業(yè)等領域。

鎢的熔點高達3420 ℃，鎢合金中通常采用低熔點的粘結(jié)相以降低合金的致密化燒結(jié)溫度。傳統(tǒng)高密度鎢合金的粘結(jié)相（如Ni、Fe、Co、Cr 等）通常以單質(zhì)元素加入，合金化程度越高通常越有利于提高鎢合金的韌性。但由于W與粘結(jié)相之間結(jié)合能的差異，在W/粘結(jié)相界面容易發(fā)生不連續(xù)析出，生成粗大的金屬間化合物。這類金屬間化合物具有硬脆的特征，大大降低了鎢合金的塑韌性。

隨著工況越來越惡劣，傳統(tǒng)粘結(jié)相難以滿足高密度鎢合金的高性能應用需求，研究者們試圖尋求具有更優(yōu)異綜合力學性能的新型粘結(jié)相。

本文選用CoCrNi 中熵合金作為高密度鎢合金的粘結(jié)相，并通過粉末冶金燒結(jié)法制備W-CoCrNi合金，探究粘結(jié)相含量和燒結(jié)溫度對W-CoCrNi 合金的微觀組織與力學性能的影響以及致密化機制。

CoCrNi中熵合金粉末采用純度大于99.9%的Co、Cr 和Ni 高純金屬原料。通過真空氣霧化法制得CoCrNi 中熵合金粉末，并取400 目篩下粉作為燒結(jié)用原始粉末，粉末形貌如圖1b 所示，呈近球形。對CoCrNi 粉末化學成分進行表征，結(jié)果如表1所示.

圖2為不同W 含量W-CoCrNi 合金樣品的致密度隨燒結(jié)溫度的變化。從圖可知，實驗條件下樣品的致密度與燒結(jié)溫度呈正比關系。致密度的高低反映了樣品內(nèi)孔隙等缺陷的多少，隨著燒結(jié)溫度的升高，W-CoCrNi 合金樣品內(nèi)孔隙呈減少趨勢。

采用XRD 技術對CoCrNi 原料粉末和不同燒結(jié)溫度下75W-CoCrNi、90W-CoCrNi、

95W-CoCrNi 塊體材料進行物相分析，結(jié)果如圖3 所示。從圖3中的衍射峰標定結(jié)果可知，CoCrNi 原料粉末為單一的FCC 結(jié)構。相比于CoCrNi 粉末的FCC 衍射峰位置，燒結(jié)W-CoCrNi 塊體材料的FCC 衍射峰位向左產(chǎn)生偏移，說明燒結(jié)后FCC相的晶格常數(shù)有所增大。

圖4為不同燒結(jié)溫度下75W-CoCrNi合金的背散射電子（BSE）微觀組織。圖4a、4c和4e 分別為1300 ℃、1400 ℃和1500 ℃燒結(jié)溫度下合金組織的低倍圖像，圖4b、4d 和4f分別為圖4a、4c 和4e 虛線框內(nèi)相應區(qū)域的高倍圖像。

圖6為燒結(jié)溫度1500 ℃下不同成分W-CoCrNi 合金的室溫壓縮應力應變曲線。從圖可知，隨著W含量的增加，合金的壓縮屈服強度增大，壓縮斷裂應變降低。95W-CoCrNi 合金的壓縮屈服強度最高，約為1602±13 MPa，達到屈服后合金馬上斷裂。90W-CoCrNi 合金的壓縮屈服強度為1143±10 MPa，試樣在壓縮應變約17±3%處發(fā)生斷裂。75W-CoCrNi 合金的壓縮屈服強度最低，為1060±15 MPa。

1）燒結(jié)態(tài)W-CoCrNi 合金的微觀組織主要由W 相、CoCrNi 固溶體相、Co7W6 相和亞微米的富Cr 顆粒組成。隨著燒結(jié)溫度增至1500℃時，W 顆粒發(fā)生球化。

2）隨著W 含量的增加，合金的致密度降低，壓縮屈服強度增加，壓縮應變降低。燒結(jié)溫度為1500 ℃時，95W-CoCrNi 的壓縮屈服強度最高，約1602±13 MPa。75W-CoCrNi 的壓縮屈服強度1060±15 MPa，其壓縮應變可達50%以上。

3）W-CoCrNi 合金在低于1500℃燒結(jié)時，致密化機制為固相燒結(jié)，驅(qū)動力主要來自(Co,Ni)7W6 相的形成和表面自由能的降低；當燒結(jié)溫度達到1500 ℃時，致密化機制轉(zhuǎn)變?yōu)?/span>液相燒結(jié)，鎢顆粒通過溶解析出而快速致密化并發(fā)生球化。

【W-CoCrNi合金的燒結(jié)致密化及其組織與性能】

中國有色金屬學報

ISSN 1004-0609,CN 43-1238/TG