WC/Al(0.5)CoCrFeNiTi0.5硬質(zhì)合金的制備及組織性能研究

WC/Co硬質(zhì)合金因其卓越的硬度和耐磨性，在切削、鉆探等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。然而，其在高壓高溫環(huán)境下的服役壽命受限，且高溫下易軟化，導(dǎo)致摩擦磨損性能下降，影響整體使用壽命。因此，探索并開發(fā)性能優(yōu)越的新型粘結(jié)劑成為硬質(zhì)合金領(lǐng)域的研究焦點。高熵合金（HEA）以其獨特的潤濕性和優(yōu)于傳統(tǒng)合金的力學性能，為新型粘結(jié)劑的研發(fā)提供了新路徑。

本研究通過系統(tǒng)研究燒結(jié)工藝參數(shù)對合金微觀組織和力學性能的影響進行分析，以高熵合金Al(0.5)CoCrFeNiTi0.5作為粘結(jié)劑，采用熱壓燒結(jié)工藝，在不添加晶粒長大抑制劑的條件下，成功制備了超細晶WC/Al(0.5)CoCrFeNiTi0.5硬質(zhì)合金。

材料制備：采用高能球磨技術(shù)制備了Al(0.5)CoCrFeNiTi0.5高熵合金粉末，并將其與WC粉末混合后，在10MPa壓力下壓制成型，隨后進行熱壓燒結(jié)，制備出超細晶WC/Al(0.5)CoCrFeNiTi0.5硬質(zhì)合金。

燒結(jié)溫度是影響WC/HEA硬質(zhì)合金微觀組織的關(guān)鍵因素之一。隨著燒結(jié)溫度的升高，粉末顆粒間的擴散速率加快，促進了合金的致密化。然而，過高的燒結(jié)溫度會導(dǎo)致WC晶粒的過度長大，從而降低合金的硬度和韌性。本研究通過對比不同燒結(jié)溫度下合金的微觀組織發(fā)現(xiàn)，當燒結(jié)溫度為1250℃時，合金的致密化程度較高且WC晶粒尺寸適中。此時，HEA粘結(jié)相均勻分布于WC晶粒之間，形成了良好的結(jié)合界面。

燒結(jié)壓力在熱壓燒結(jié)過程中同樣起著重要作用。適當?shù)臒Y(jié)壓力有助于粉末顆粒間的緊密接觸和擴散，促進合金的致密化。然而，過高的燒結(jié)壓力可能會導(dǎo)致合金內(nèi)部產(chǎn)生缺陷如裂紋等。本研究發(fā)現(xiàn)，當燒結(jié)壓力為30MPa時，合金的致密度達到最大值且內(nèi)部缺陷較少。這一壓力條件下，HEA粘結(jié)相能夠充分填充WC晶粒間的空隙，形成致密的微觀結(jié)構(gòu)。

粘結(jié)劑含量是影響WC/HEA硬質(zhì)合金微觀組織和力學性能的另一重要因素。適量的粘結(jié)劑有助于提高合金的致密度和韌性，但過多的粘結(jié)劑會降低合金的硬度和耐磨性。本研究通過調(diào)整HEA粘結(jié)劑的含量發(fā)現(xiàn)，當粘結(jié)劑含量為20wt.%時，合金的綜合性能最佳。此時，HEA粘結(jié)相既能有效抑制WC晶粒的長大又能保持足夠的韌性。

隨著燒結(jié)溫度的升高，粉末顆粒間的擴散速率加快，促進了合金的致密化，有助于力學性能的提升。然而，過高的燒結(jié)溫度會導(dǎo)致WC晶粒的過度長大，從而降低合金的硬度和韌性。

當燒結(jié)溫度為1250℃時，WC/HEA硬質(zhì)合金的綜合力學性能達到最佳。此時，WC/HEA硬質(zhì)合金的維氏硬度可達到2389±5HV，較傳統(tǒng)WCCo硬質(zhì)合金有顯著提高；同時，其斷裂韌性也達到較高水平，如15.94±0.2MPa·m^(1/2)，表現(xiàn)出優(yōu)異的綜合力學性能。

適當?shù)臒Y(jié)壓力有助于粉末顆粒間的緊密接觸和擴散，促進合金的致密化，進而提高力學性能。當燒結(jié)壓力為30MPa時，WC/HEA硬質(zhì)合金的致密度達到最大值，且內(nèi)部缺陷較少。這一壓力條件下，HEA粘結(jié)相能夠充分填充WC晶粒間的空隙，形成致密的微觀結(jié)構(gòu)，為力學性能的提升提供了基礎(chǔ)。在最優(yōu)燒結(jié)壓力下，合金的硬度和韌性均得到顯著提升。由于致密度的提高和微觀結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，合金在承受外力時能夠更好地抵抗變形和斷裂。

適量的粘結(jié)劑有助于提高合金的致密度和韌性，但過多的粘結(jié)劑會降低合金的硬度和耐磨性。研究表明，當HEA粘結(jié)劑含量為20wt.%時，WC/HEA硬質(zhì)合金的綜合性能最佳。此時，粘結(jié)劑既能有效抑制WC晶粒的長大又能保持足夠的韌性。在最優(yōu)粘結(jié)劑含量下制備的WC/HEA硬質(zhì)合金不僅具有較高的硬度（如2389±5HV），還表現(xiàn)出優(yōu)異的斷裂韌性（如15.94±0.2MPa·m^(1/2)）。

1、以Al0.5CoCrFeNiTi0.5為粘結(jié)劑，在不添加晶粒長大抑制劑的條件下，采用熱壓燒結(jié)工藝，可成功獲得超細晶WC/Al0.5CoCrFeNiTi0.5硬質(zhì)合金。WC/Al0.5CoCrFeNiTi0.5硬質(zhì)合金的制備過程中未出現(xiàn)金屬間化合物的生成，而且WC平均晶粒尺寸小于200nm，達到超細晶等級。

2、燒結(jié)溫度、燒結(jié)壓力和Al0.5CoCrFeNiTi0.5粘結(jié)劑含量等燒結(jié)工藝參數(shù)對WC/Al0.5CoCrFeNiTi0.5硬質(zhì)合金的微觀組織和力學性能有著重要的影響。其中，在1250℃、30MPa下，粘結(jié)劑含量為20wt.%時，熱壓燒結(jié)制備的WC/Al0.5CoCrFeNiTi0.5硬質(zhì)合金相對密度為99.3%，硬度為2358HV，KIC為15.95MPa·m1/2，具有最優(yōu)的綜合力學性能。

3、以Al0.5CoCrFeNiTi0.5為粘結(jié)劑在1250℃、30MPa下熱壓燒結(jié)制備的WC/20wt.%Al0.5CoCrFeNiTi0.5硬質(zhì)合金的WC平均尺寸僅為157nm。而同等工藝參數(shù)下制備的WC/Co硬質(zhì)合金中WC平均晶粒尺寸約為1.5μm。由于WC平均晶粒尺寸的降低，有效提高了WC/Al0.5CoCrFeNiTi0.5硬質(zhì)合金的硬度和斷裂韌性。

【WC/Al(0.5)CoCrFeNiTi0.5硬質(zhì)合金的制備及組織性能研究】

西安建筑科技大學碩士學位論文-何攀